Pb-Bi自然循環炉における酸素濃度制御解析

0xygen concentration diffusion analysis of Lead-Bismuth-Cooled, natural-circulation reactor

伊藤 啓; 堺 公明

Ito, Kei; Sakai, Takaaki

核燃料サイクル開発機構は、国内外の関係機関と協力し高速増殖炉の実用化戦略調査研究を実施しており、2001年3月にフェーズIを終了した。フェーズIでは、鉛・ビスマスが冷却材の 1つの候補として摘出され、自然循環方式の中型炉について研究が進められた。一方、鉛・ビスマスを冷却材として用いる際には、構造材腐食性が課題の 1つであり、腐食防止のためには酸素濃度の制御が重要である事が明らかになっている。本研究では、鉛・ビスマスの構造材腐食性について、原子炉内の酸素濃度制御解析を行うために濃度拡散解析用コード(COCOA:Concentration control analysis code)を開発した。本コードは、2次元濃度拡散方程式を基礎方程式とし、有限差分法によって離散化したものである。また、酸素と水素の 2成分系の濃度分布を計算し、それらの反応を模擬することが可能である。本稿では、本コードの基本的な検証を行うとともに、概念設計研究が実施されたPb-Bi冷却自然循環中型炉を対象として、 燃料交換後の酸素濃度拡散解析を行い、酸素濃度制御系の制御特性を評価した。その結果、 COCOAコードは濃度拡散をシミュレート可能であることが明らかになった。また、 Pb-Bi冷却自然循環中型炉を対象とした解析においては、適切な濃度計測点を選択することで、 ON-OFF系、PID制御によって酸素濃度制御が可能なこと、酸素放出系や水素放出系の故障時においても制御特性の低下は見られるものの、制御自体は可能であることを明らかにした。

The feasibility study on fast breeder reactors in Japan has been conducted at JNC and related organizations. The Phase-I study has finished in March, 2001. During the Phase-I activity, 1ead-bismuth eutectic coolant has been selected as one of the possible coolant options and a medium-scale plant, cooled by a lead-bismuth natural circulation flow was studied. 0n the other side, it is known that lead-bismuth eutectic has a problem of structural material corrosiveness. It was found that oxygen concentration control in the eutectic plays an important role on the corrosion protection. In this report, we have developed a concentration diffusion analysis code (COCOA:COncentration COntrol Analysis code) in order to carry out the oxygen concentration control analysis. This code solves a two-dimensional concentration diffusion equation by the finite differential method. It is possible to simulate reaction of oxygen and hydrogen by the code. We verified the basic performance of the code and carried out oxygen concentration diffusion analysis for the case of an oxygen increase by a refueling process in the natural circulation reactor. In addition, characteristics of the oxygen control system was discussed for a different type of the control system as well. It is concluded that the COCOA code can simulate diffusion of oxygen concentration in the reactor. By the analysis of a natural circulation medium-scale reactor, we make clear that the ON-OFF control and PID control can well control oxygen concentration by choosing an appropriate concentration measurement point. In addition, even when a trouble occurs in the oxygen emission or hydrogen emission system, it observes that control characteristic drops away. It is still possible, however, to control oxygen concentration in such case.