Geometry survey on the convex shaped core for recriticality prevention against CDA in sodium-cooled fast reactor

ナトリウム冷却高速炉におけるCDA時の再臨界防止のための凸型炉心の幾何学的検討

千歳 敬子*; 舘 義昭  ; 若林 利男*; 高木 直行*

Chitose, Keiko*; Tachi, Yoshiaki; Wakabayashi, Toshio*; Takaki, Naoyuki*

ナトリウム冷却高速炉では、炉心は最も反応性の高い構成に配置されていない。この場合、燃料が溶融して溶融プールを形成すると、核圧縮による正反応性挿入によって再臨界が生じることがある。このような再臨界を防止するために、炉心領域から溶融燃料を排出するための燃料集合体構造の特別な装置が、日本原子力研究開発機構(JAEA)によって検討されている。一方、炉心の幾何学的に固有の特徴および中性子特性は、このような再臨界を防止するために同様の効果を提供し得る。本研究の目的は、CDAの変形が燃料排出装置なしで負のフィードバックを未臨界状態にするという炉心仕様を設計することである。凸型の炉心は、内側炉心領域においてより長い燃料長さを有し、外側炉心領域においてより短い燃料を有する。したがって、完全な状態の炉心形状は中性子漏れ効果がより低い。燃料がCDA中で溶融すると、炉心の高さが圧縮され、溶融プール形成中に負の反応性挿入が予想される。凸型炉心は、大規模な円筒状の均質炉心(3,600MWth、炉心直径4.95m、炉心高さ0.75m)に基づいている。この計算は、円筒形炉心の圧密化が反応性利得につながるが、凸型炉心は負の反応性効果をもたらすことを示した。この形状では、内側炉心と外側炉心の両方が2つの領域に分割されている。さらに、内側炉心用の細径ピンを導入し、すべての領域で均一なPu濃縮度を維持した。重要度の高い領域の細径のピンは、フラット分布に有効である。ピン径調査により、炉心冷却材の圧力損失を低減し溶融プールの高さを低下させるなど、より細径のピンの利点を確認した。

In sodium-cooled fast reactors, the core is not arranged in its most reactive configuration. In this case, when the fuel melts to form a molten pool, the recriticality may occur by positive reactivity insertion due to core compaction. To prevent such recriticality, special devices of the fuel subassembly structure for discharging the molten fuel from the core region, have been investigated by the Japan Atomic Energy Agency (JAEA). On the other hand, the inherent feature of core geometry and the neutron characteristics may provide the similar effect to prevent such recriticality. The purpose of this study is to design the core specification its deformation in CDA causes negative feedback to subcritical condition, without any fuel discharge device. The convex shaped core has the longer fuel length in the inner-core region and the shorter fuel in the outer-core region. Therefore, the core geometry as intact status has a lower neutron leakage effect. When the fuel melts in CDA, the core height is compacted and negative reactivity insertion is expected during molten pool formation. The convex shaped core is based on the large-scale cylindrical homogeneous core (3,600MWth, 4.95m in core diameter, and 0.75m in core height). The calculation showed that the compaction of cylindrical core leads to a reactivity gain, whereas the convex shaped core results in negative reactivity effect. In this geometry, both inner-core and outer-core are divided into two regions. Furthermore, we introduced the smaller diameter pin for inner-core and keep uniform Pu enrichment for all regions. The smaller diameter pins in high importance region are effective for flat-distribution. Through pin diameter survey, we confirmed the advantages of smaller diameter pin, such as reducing pressure loss of core coolant and decreasing the height of molten pool.