小型高速炉の炉心・燃料設計研究(その2)(研究報告)

Design Studies on Small Fast Reactor Cores (II)

高木 直行; 宇都 成昭  ; 水野 朋保

Takaki, Naoyuki; Uto, Nariaki; Mizuno, Tomoyasu

小型高速炉心の反応度制御方式や冷却材循環方式の違いが炉心仕様や特性にもたらす影響を比較評価することを目的として、(1)150MWe反射体制御型・強制循環炉心、(2)150MWe制御棒制御型・強制循環炉心、(3)150MWe制御棒制御型・自然循環炉心、そして(4)50MWe制御棒制御型・強制循環炉心の4種類の炉心について設計検討を行った。本研究では10年間燃料無交換運転の達成を目的としつつ、直近許認可性確保の観点から金属燃料のピン径を8.5mm以下、強制循環冷却炉については、ULOF時の流量確保の観点から炉心圧損を0.75kg/センチメートル程度以下及び受動的安全性強化の観点から冷却材ボイド反応度を2$程度以下とすることを設計の条件とした。反射体制御小型炉は、反射体と少数(4体)の制御棒を組み合わせた反応度制御方式とすることにより、10年間燃料無交換運転ができ、燃焼度は約48GWd/tとなった。ATWS時には、炉心径方向膨張や自己作動型炉停止機構に頼らない受動的安全性を確保できる可能性が示された。制御棒制御炉心では、反射体制御炉心に比べ反射体が炉心に近づくことで臨界性が向上し、燃料集合体数や炉心高さをやや低減できたために、燃焼度やボイド反応度等で僅かながら有利な特性が認められた。安全性については、反射体制御炉心と同等の受動的安全性を確保できる可能性がある。またACMIの観点からは、制御棒を10年間の運転期間中交換なしで利用できる評価結果を得た。一方、反射体制御炉心と同様に、冷却材ボイド反応度抑制のために扁平炉心となり炉心径が3.3mと大きく、また燃料ピン間ギャップは0.64mmと小さいため、今後、経済性や製造性に配慮した対応検討が必要である。自然循環冷却炉心は、炉心圧損低減のために炉心径が3.8m程度と大きくなり、燃焼度は36GWd/t程度となった。安全特性については、自然循環故にLOF事象がないことが特徴であり、他のATWS時挙動は強制循環炉とほぼ同等となる結果を得た。尚、この自然循環炉は増殖比が1.053 (MOC)と高いため、運転期間を15年に延長し、燃焼度を54GWd/t程度とできる可能性がある。50MWe出力の制御棒制御小型炉は、ピン間ギャップ1mmを確保しながらも炉心ボイド反応度制限を満たすことができ、燃焼度は約35GWd/tと低めとなるが、コンパクトな炉

Core design studies have been performed to make a comparative evaluation on the effects of different reactivity control mechanisms and different coolant circulation methods of small fast reactors as follows, (a) 150MWe reflector-controlled forced-circulation core, (b) 150MWe forced-circulation core with control rods, (c) 150Me natural-circulation core with control rods and (d) 50MWe forced-circulation core with control rods. In the present study, the fuel reloading interval of 10 years is targeted under following conditions as fuel pin diameter 8.5mm, pressure drop for forced-circulation core 0.75kg/cm2 and sodium void reactivity for forced-circulation core 2$.The reactivity control mechanism of the reflector-controlled core is composed of movable radial reflector and a few additional control rods. This core attains 10 years long life and burnup of about 48GWd/t. The ATWS analyses indicate the possible passive safety feature which does not rely on the effects of radial expansion of core support plate and self-actuated shutdown system.The core with control rods shows slightly superior criticality than the reflector-controlled core due to the closer arrangement of radial reflectors. The shorter core column length and reduced fuel inventory result in improvements on the sodium void reactivity and burnup of fuels. This core also shows possible passive safety features in case of ATWS events. Ten years of control rod life time is calculated to be achievable from a viewpoint of absorber cladding mechanical interactions. Large core diameter of about 3.3m and small pin gap less than 1mm are common problems of the reflector-controlled core and core with control rods. Those are ascribed to the sodium void reactivity limitation and further works considering the economy and fabrication feasibility are necessary. The natural-circulation core with low pressure drop has large core diameter of about 3.8m and low fuel burnup of around 36GWd/t. A prominent characteristic