Study of experimental core configuration of the modified STACY for measurement of criticality characteristics of fuel debris

燃料デブリの臨界特性測定のためのSTACY更新炉実験炉心構成の研究

郡司 智  ; 外池 幸太郎 ; 井澤 一彦 ; 曽野 浩樹 

Gunji, Satoshi; Tonoike, Kotaro; Izawa, Kazuhiko; Sono, Hiroki

燃料デブリ、特にMCCI(溶融炉心コンクリート相互作用)生成物の臨界安全性は、福島第一原子力発電所廃炉における主要な安全課題のひとつである。燃料デブリが臨界なのか未臨界であるのかは依然として不確かである。その組成、位置、中性子減速条件などは未だ確認できていない。燃料デブリの臨界制御にあたって、冷却水中に混ぜる中性子毒物の有効性は不確実である。そこで日本原子力研究開発機構(JAEA)では、そのような組成・中性子減速など取りうる条件を広くカバーし、燃料デブリのサンプルが取得され、その条件が判明した場合の臨界特性の評価に寄与する解析データベースを構築する。この計算モデルには、臨界実験によって明らかにされるべき不確かさも含まれる。これらの実験は、改造されたSTACY(定常臨界実験装置)と燃料デブリ組成を模擬したサンプルを用いて実施される予定である。各々のサンプルは、その外形はSTACYの燃料棒と同等で同じくジルカロイ被覆されたものである。この論文では、MCCI生成物を模擬したサンプルの反応度価値を測定するための実験炉心構成の研究について報告している。一連の実験における計算モデルで考慮されるパラメータは次のとおりである:(1)3, 4, 5wt.%のU濃縮度を持つ二酸化ウラン、(2)0, 20, 40, 60及び80%のコンクリート体積割合、並びに(3)0-80%のサンプルの空隙率。この測定実験は、減速不足および加減速の条件で実施できると結論付けられた。また、実験に必要なサンプル量が推定された。

Criticality safety of fuel debris, particularly MCCI (Molten-Core-Concrete-Interaction) products, is one of the major safety issues for decommissioning of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. Criticality or subcriticality condition of the fuel debris is still uncertain; its composition, location, neutron moderation, etc. are not yet confirmed. The effectiveness of neutron poison in cooling water is also uncertain for use as a criticality control of fuel debris. A database of computational models is being built by Japan Atomic Energy Agency (JAEA), covering a wide range of possible conditions of such composition, neutron moderation, etc., to facilitate assessing criticality characteristics once fuel debris samples are taken and their conditions are known. The computational models also include uncertainties which are to be clarified by critical experiments. These experiments are planned and will be conducted by JAEA with the modified STACY (STAtic experiment Critical facilitY) and samples to simulate fuel debris compositions. Each of the samples will be cladded by a zircalloy tube whose outer shape is compatible with the fuel rod of STACY and loaded into an array of the fuel rods. This report introduces a study of experimental core configurations to measure the reactivity worth of samples simulating MCCI products. Parameters to be varied in the computation models for the experimental series are:(1) Uranium dioxide with U enrichments of 3, 4, and 5 wt.%; (2) Concrete volume fraction in the samples of 0, 20, 40, 60, and 80%; and (3) Porosity of the samples filled from 0 to 80% where the sample void is filled with water. It is concluded that the measurement is feasible in both under- and over-moderated conditions. Additionally, the required amount of samples was estimated.