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Manufacturability estimation on burnable poison mixed fuel for improving criticality safety of HTGR fuel fabrication

高温ガス炉用燃料製造における臨界安全対策のためのBP混合燃料製造性の検討

長谷川 俊成 ; 深谷 裕司  ; 植田 祥平  ; 後藤 実 

Hasegawa, Toshinari; Fukaya, Yuji; Ueta, Shohei; Goto, Minoru

商用高温ガス炉燃料の製造工程中における臨界安全対策としてBPクレジット概念が提案されており、その実用化の為にBP(ホウ素,ガドリニウム,エルビウム,ハフニウム)混合UO$$_2$$燃料核の製造性を検討した。ホウ素混合燃料核はホウ酸粉末とU$$_3$$O$$_8$$粉末を混合して製造し、その他のBP混合燃料核についてはBPの硝酸塩粉末とU$$_3$$O$$_8$$粉末を混合して製造する。熱処理工程後にBPが燃料核内に存在していることを確かめるために、熱力学平衡解析により燃料核内におけるBPの状態を予測した。ホウ素を混合する場合、450$$^{circ}$$C以上で融解・気化する結果を示し、ホウ素混合燃料核の製造が困難であることが分かった。一方でガドリニウム,エルビウム,ハフニウムを混合する場合、固体酸化物に変化し2000$$^{circ}$$Cにおいても融解・気化せず、燃料製造性に問題がないことが分かった。

Burnable poison (BP) credit concept has been proposed as a criticality safety measure for commercial high temperature gas-cooled reactor (HTGR) fuel fabrication, so we estimated manufacturability of the BP-mixed UO$$_2$$ kernel for the practical use of the concept. As a BP, boron, gadolinium, erbium, and hafnium are investigated. Boron mixed fuel kernels are fabricated by mixing boric acid powder with U$$_3$$O$$_8$$ powder. In the case of the other BPs, BP nitrate powder is mixed with U$$_3$$O$$_8$$ powder. In order to confirm that BP remain in the kernels after the heat treatment processes, thermodynamic equilibrium analysis was performed. Above 450$$^circ$$C, boron would melt and vaporize during the heat treatment processes, so it was found that the boron mixed fuel kernel fabrication is difficult. On the other hand, it was found that gadolinium, erbium, and hafnium would change to solid oxides that do not melt and vaporize even at 2000$$^circ$$C, and there was no problem with manufacturability of the BP-mixed fuel kernel.

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