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加速器駆動核変換システムのMA燃料組成およびその除熱に関する再検討

Re-examinations of MA fuel composition for accelerator-driven system and its heat removal

菅原 隆徳  ; 森口 大輔*; 伴 康俊 ; 津幡 靖宏  ; 高野 公秀 ; 西原 健司 

Sugawara, Takanori; Moriguchi, Daisuke*; Ban, Yasutoshi; Tsubata, Yasuhiro; Takano, Masahide; Nishihara, Kenji

本研究では、従来の加速器駆動核変換システム(ADS)核設計では考慮されていなかったウラン(U)や希土類元素(RE)を考慮するため、日本原子力研究開発機構で開発されたSELECTプロセスに基づき、より現実的なMA燃料組成を検討し、ADS核設計を行った。その結果、Npあり/なしの2ケースについて、いずれも設定した制限値を満足することを示した。これらの概念は、これまで検討されてきた概念と異なり、UやREが含まれるものの、核変換性能は悪化せず、分離変換サイクルと整合の取れた成立性の見込まれるADS炉心概念である。さらに、検討したMA燃料組成をベースとして、燃料粉末貯蔵時および燃料集合体組立時の除熱に関する評価を行った。その結果、粉末貯蔵に関しては、長さ500[mm]、内径11-21[mm]の円柱管容器を、水中で保管する必要があることがわかった。燃料集合体組立時の除熱に関する評価は、CFD解析を実施し、空気流速が0.5[m/s]以上であれば、被覆管制限温度450[$$^{circ}$$C]以下を満足することがわかった。以上のように、分離変換サイクルと整合の取れたMA燃料組成を検討し、ADS炉心概念が成立することを示すとともに、最新の条件に基づいた除熱性能の検討を行った。この検討により、MA燃料の取扱い上、最も難しい点の一つである発熱に関して、新たに検討したMA燃料組成が、現実的に取り扱い可能であることを示した。

This study aims to perform the neutronics calculations for accelerator-driven system (ADS) with a new fuel composition based on the SELECT process developed by Japan Atomic Energy Agency because the previous studies had used the ideal MA (minor actinide) fuel composition without uranium and rare earth elements. Through the neutronics calculations, it is shown that two calculation cases, with/without neptunium, satisfy the design criteria. Although the new fuel composition includes uranium and rare earth elements, the ADS core with the new fuel composition is feasible and consistent with the partitioning and transmutation (P&T) cycle. Based on the new fuel composition, the heat removal during fuel powder storage and fuel assembly assembling is evaluated. For the fuel powder storage, it is found that a cylindrical tube container with a length of 500 [mm] and a diameter of 11 - 21 [mm] should be stored under water. For the fuel assembly assembling, CFD analysis indicates that the cladding tube temperature would satisfy the criterion if the inlet velocity of air is larger than 0.5 [m/s]. Through these studies, the new fuel composition which is consistent with the P&T cycle is obtained and the heat removal with the latest conditions is investigated. It is also shown that the new fuel composition can be practically handled with respect to heat generation, which is one of the most difficult points in handling MA fuel.

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