プルトニウムの0.3eV共鳴断面積が圧力管型重水格子の冷却材ボイド反応度に及ぼす効果

Effect of 0.3eV resonance cross section for plutonium on coolant void reactivity in heavy water lattice

小綿 泰樹; 福村 信男

Kowata, Yasuki; Fukumura, Nobuo

全炉心でMOX燃料を使用できる重水減速・沸騰軽水冷却圧力管型原子炉(HWR)の実用化検討で重要な冷却材ボイド反応度の評価に関しては、多くのパラメータについてその挙動を統一的に解明する必要がある。そのパラメータはプルトニウム富化度、プルトニウム同位体組成比、減速材と燃料の体積比等である。特に、ボイド反応度に及ぼすプルトニウムの寄与の解明は重要である。格子計算コードWIMS-D4を用いてHWRの無限格子の冷却材ボイド率を0100%に変化させた場合のボイド反応度の解析を行い、燃料核種又はプルトニウム同位体組成の相異がボイド反応度に及ぼす効果のメカニズムを解明した。格子計算においては格子内の空間及びエネルギー依存の中性子断面積と中性子束分布を用いて、ボイド反応度を燃料核種、反応断面積、中性子エネルギー群及び格子内領域の各種成分として分離することにより、ボイド反応度の挙動を解明できることが分かった。なお、本解析では使用する核データをオリジナルのUKAEAから日本版評価済みのJENDL-3.1に置き換えた。その結果、中性子スペクトル指標及び熱中性子束分布についてWIMS-D4コードの計算精度が向上することを確認した。本研究により、燃料のマクロ熱中性子吸収断面積が同一であれば、HWR格子における冷却材ボイド反応度は狭いピッチの格子ほど負側に移行し、またウラン格子よりプルトニウム格子の方がより負側に移行することが明らかになった。プルトニウムによるボイド反応度の低減効果は、239Puの0.3eVの共鳴吸収断面積の存在に起因する。即ち、239Puの含有率が高いほど0.3eVの共鳴エネルギー幅内で冷却材ボイド率の増加に伴う軽水の熱中性子散乱効果が減少することによって、中性子密度の回復効果が低下するからである。この結果、239Puの共鳴核分裂率が減少してボイド反応度に対して負側の寄与となることが分かった。

Plutonium fuel could be utilized in the entire core of heavy water moderated, boiling light water cooled pressure-tube-type reactor (HWR). The void reactivity, however, depends on the various parameters of the lattice. It is especially significant to clarify the influence of plutonium nuclides on the void reactivity. The void reactivities in the infinite HWR lattices have been parametrically analyzed to clarify the influences of changes in the lattice parameters on the void reactivity using the WIMS-D4 code with the JENDL-3.1 nuclear data. In this lattice calculation, it has been known that the behavior of the void reactivity can be made clear by separating the components for fuel nuclides, neutron cross sections, energy group and regions in lattice cell from the void reactivity using the important reaction rates. If the macroscopic 2200m/s neutron absorption cross section of fuel is identical each other, it has been shown that the void reactivity of the HWR lattice shifts further to the negative side in the narrower pitch lattice, and in the plutonium lattice than in the uranium lattice. The effect reducing the void reactivity to the negative by plutonium is caused mainly by the presence of the resonance cross section at around 0.3eV of Pu. Because the higher the content of Pu is, the less the recovery effect of neutron density within the resonance energy due to decrease in the thermal neutron scattering of hydrogen is with increase in coolant void fraction, so that the decreased resonance fission rate for Pu contributes to the more negative side for the void reactivity.