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多段燃料シャッフリングを用いたBWRの炉心・燃料設計

Core and fuel design of BWR with multi-axial fuel shuffling

田崎 雄大 ; 山路 哲史*; 天谷 政樹

Tasaki, Yudai; Yamaji, Akifumi*; Amaya, Masaki

軽水冷却による増殖炉の設計では、稠密燃料集合体を用いて炉内に占める軽水の領域を小さくすることで、中性子の減速を抑える。加えて、中性子を効率よく劣化ウランに照射するために、MOX燃料とblanket燃料を用いた非均質炉心を構成する。更なる増殖性能の向上のために超臨界圧軽水冷却炉で行われた研究では、水密度が特に小さい上部blanket燃料層に独立した燃料シャッフリングを設ける「多段燃料シャッフリング」と呼ばれる炉心概念を導入し、増殖性能の向上を達成した。BWRにおいてもボイドの発達により炉心上部で最も水密度は下がるため、同様の効果が得られると考えられる。一方、このような炉心の燃料棒は、燃料スタック中に2種類のペレットを含むため、MOX燃料部分の出力ピーキングが大きくなる特徴を持つ。そのため、MOX燃料部分の燃料中心温度の低減や、MOX・blanket燃料のPCMI特性の違いからくる燃料境界部の剪断応力の低減が課題になると考えられる。また、MOX燃料部分ではPCMIにより被覆管外形が増大するが、稠密燃料集合体を用いた本炉心においては、流路面積の減少に伴い、炉心の熱水力特性に影響を与える可能性がある。本研究では、多段燃料シャッフリングを用いたBWRを創出し、三次元核熱結合炉心燃焼計算によって増殖性能の向上を示した。また、炉心計算結果から作成した照射履歴とこれを用いた燃料ふるまい解析で、以上の課題を緩和する燃料設計を示した。被覆管外形変化が炉心の熱水力特性に与える影響については、最小限界熱流束比に与える影響はほぼなかったものの、圧力損失については感度があり、炉心の流量配分に設計上の課題があることが示唆された。

In breeding core designs with light water, tight lattice fuel bundle design in which the coolant flow area is small is adopted to prevent the neutron moderating. Additionally, the core often consists of MOX fuel and blanket fuel, which aims to irradiate depleted uranium effectively. In preceding study, the concept of "Multi-axial fuel shuffling" has been proposed for a higher breeding core design of supercritical-water cooled reactor (SCWR), in which the core consists of multiple layers of MOX fuels and blanket fuels with independent fuel shuffling for the upper blanket layer where coolant density is lowest. As a result, the SCWR with multi-axial fuel shuffling has shown improvement of breeding performance. The same principle may be applied to BWR, since the coolant density gets low due to developing void fraction. However, the fuel rod included such a core design has two kinds of fuel pellets, and MOX fuel parts tend to get high power peaking. Therefore, it is necessary to investigate and mitigate the fuel maximum temperature and the shear stress of the boundary between MOX and blanket fuel parts which may occur by the difference of PCMI characteristics of two fuel parts. Moreover, it is possible that the cladding outer diameter change especially in MOX fuel parts may impact on the thermal-hydraulics, because the gap between rods is narrow owing to the tight lattice fuel bundle design. This study has shown the improvement of breeding performance of BWR with multi-axial fuel shuffling, and the fuel design which mitigates the above design issues. The cladding outer diameter change doesn't impact on critical heat flux ratio mostly, but depends on pressure drop of the flow channel. Therefore, this result suggests a design issue with respect to the core flow distribution.

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