Study on erbium loading method to improve reactivity coefficients for low radiotoxic spent fuel HTGR

潜在的有害度低減高温ガス炉の反応度係数改善のためのエルビウム装荷法の研究

深谷 裕司   ; 後藤 実  ; 西原 哲夫 

Fukaya, Yuji; Goto, Minoru; Nishihara, Tetsuo

潜在的有害度低減高温ガス炉の反応度係数を改善するためのエルビウム装荷法の検討を行った。本炉心では、U-238からの有害度発生を低減するために高濃縮ウランを燃料として用いる。対策がなされない状態では正の反応度係数を持ちうる。そこで、負の反応度係数を得るためエルビウムを炉心に装荷する。Er-167の巨大な共鳴捕獲断面積ピークにより反応度係数の改善が可能である。本研究では、その装荷法について検討した。装荷法としては、被覆粒子燃料の燃料核への混合、燃料粒子・エルビウム粒子の二粒子による装荷、燃料コンパクトを支持する黒鉛心棒への埋め込みを検討した。検討の結果として、エルビウムは減速材温度係数としての働きが主であり、熱輸送の観点から、燃料棒要素への装荷が適していることがわかった。さらに、燃焼末期で負の反応度係数を得るためには、エルビウムの燃焼速度は遅い必要がある。これらのことを考慮して、自己遮蔽効果が強くエルビウムの燃焼を避けられる装荷法が適していると言え、その自己遮蔽効果発生のメカニズムはボンダレンコアプローチにより確認した。その結果、黒鉛心棒へのエルビウム装荷が潜在的有害度低減高温ガス炉の反応度係数の改善には適しており、燃焼末期においても負の反応度係数が得られることがわかった。

The investigation on the erbium loading method to improve reactivity coefficients for Low Radiotoxic Spent Fuel High Temperature Gas-cooled Reactor (LRSF-HTGR) is performed. The fuel employs HEU to reduce toxicity generation from uranium-238. The reactivity coefficients show positive values without any additive. Then, the erbium is loaded in the core to obtain negative reactivity coefficient due to the large resonance peak of neutron capture reaction of erbium-167. The loading methods are investigated. The erbium is mixed into fuel kernel of CPF, loaded by binary packing with fuel particle and erbium particle, and embedded into the graphite shaft deployed center of fuel compact. It is found that the erbium loading causes negative reactivity as a moderator temperature reactivity, and it should be loaded into fuel pin elements for pin-in-block type fuel from the viewpoint of heat transfer. Moreover, the erbium should be incinerated slowly to obtain negative reactivity coefficient even at EOC. The loading method which effectively causes self-shielding should be selected to avoid to be incinerated with burn-up. The mechanism is elucidated by application of Bondarenko approach. As a result, it is conclude that the erbium embedded into graphite shaft is preferable for LRSF-HTGR to remain the reactivity coefficient negative at EOC.