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Development of security and safety fuel for Pu-burner HTGR, 2; Design study of fuel and reactor core

プルトニウム燃焼高温ガス炉を実現するセキュリティ強化型安全燃料開発,2; 燃料及び炉心の設計研究

後藤 実; 植田 祥平; 相原 純; 稲葉 良知; 深谷 裕司; 橘 幸男; 岡本 孝司*

Goto, Minoru; Ueta, Shohei; Aihara, Jun; Inaba, Yoshitomo; Fukaya, Yuji; Tachibana, Yukio; Okamoto, Koji*

PuO$$_{2}$$-YSZ燃料核にZrC被覆を施して3S(核不拡散、安全、核セキュリティ)を向上させた3S-TRISO燃料をプルトニウム燃焼高温ガス炉に導入することが提案されている。本研究では、ZrC被覆の遊離酸素ゲッターとしての有効性を熱化学平衡計算に基づき評価するとともに、3S-TRISO燃料の成立性の予備検討を、燃料内圧に着目して行った。また、炉心燃焼計算を行い炉心成立性について予備検討を行った。熱科学平衡計算の結果は、1600$$^{circ}$$C以下の温度条件で、発生する遊離酸素の全量を薄いZrC層で捕獲されることを示し、燃料核へのZrC被覆は内圧抑制に非常に有効と考えられる。燃焼度500GWd/tでの3S-TRISO燃料の内圧計算結果は、既に概念設計が行われた炉心の同じサイズのUO$$_{2}$$燃料の内圧より低いことから、3S-TRISO燃料の成立性は十分見込まれる。また、炉心燃焼計算の結果は、軸方向燃料シャッフリングの採用により約500GWd/tの高燃焼度の達成が可能なこと及び反応度温度係数を燃焼期間にわたり負を維持できることを示しており、炉心の核的な成立性も十分見込まれる。

A PuO$$_{2}$$-YSZ fuel kernel with a ZrC coating, which enhances safety, security and safeguard, namely: 3S-TRISO fuel, was proposed to introduce to the plutonium-burner HTGR. In this study, the efficiency of the ZrC coating as the free-oxygen getter was examined based on a thermochemical calculation. A preliminary study on the feasibility of the 3S-TRISO fuel was conducted focusing on the internal pressure. Additionally, a nuclear feasibility of the reactor core was studied. As a result, all the amount of the free-oxygen is captured by a thin ZrC coating under 1600$$^{circ}$$C and coating ZrC on the fuel kernel should be very effective method to suppress the internal pressure. The internal pressure of the 3S-TRISO fuel at 500 GWd/t is lower than that of UO$$_{2}$$ kernel TRISO fuel whose feasibility had been already confirmed and the 3S-TRISO fuel should be feasible. The fuel shuffling allows to achieve 500 GWd/t. The temperature coefficient of reactivity is negative during the operation period and thus the nuclear feasibility of the reactor core should be achievable.

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