Study on actinide burning core concepts for the future phaseout of a fast reactor fuel cycle

将来的な高速炉燃料サイクルのフェーズアウトにおけるアクチニド燃焼炉心の概念検討

毛利 哲也 ; 永沼 正行  ; 大木 繁夫 

Mori, Tetsuya; Naganuma, Masayuki; Oki, Shigeo

高速炉燃料サイクルが実用化され長期間使用された後の遠い将来におけるフェーズアウトの段階において、燃料サイクル内に存在するPuやMAを多重リサイクルにより低減できる高速炉燃焼炉心の概念を検討した。多重リサイクルによってPuやMAは高次化する。高次化によりナトリウムボイド反応度が増加するとともにドップラ係数が減少することで炉心の成立性に影響を及ぼす。これに対し炉心の扁平化,燃焼度引き下げ、さらに被覆管及びラッパ管への炭化ケイ素(SiC)材導入という3つの反応度係数改善策を取り入れることで成立性のある炉心概念を見出した。特に、SiC構造材による中性子スペクトルの軟化は反応度係数の改善だけでなくPuやMAの高次化を間接的に緩和する効果もあることが確認された。これらにより本燃焼炉心はPuとMAが大幅に減少するまで、例えば原子力発電設備容量30GWeを起点としたフェーズアウトシナリオを仮定した場合は初期のインベントリの約99%を消費するまで、多重リサイクルを継続することが可能となった。高速炉は、自ら生み出したPuや長寿命のMAを最小化できる自己完結型のエネルギーシステムになる可能性がある。高速炉は、将来の環境負荷低減のための重要な選択肢の一つとなり得る。

This paper deals with a conceptual study on a plutonium (Pu) and minor actinide (MA) burning fast reactor core for the distant future phaseout of a fast-reactor fuel cycle after it is commercialized and used for a long time. This burning core aims to reduce the Pu and MA inventories contained in the fuel cycle through multiple recycling. A key point for the core design is the degradation of Pu and MA during multiple recycling. This degradation affects the core feasibility by increasing the sodium void reactivity and decreasing the absolute value of the Doppler constant. A feasible core concept was found by incorporating the following three factors to improve the reactivity coefficients: core flattening, fuel burnup reduction, and the use of silicon carbide (SiC) in the cladding and wrapper tubes. Notably, softening the neutron spectrum using the SiC structural material not only improved the reactivity coefficients but also indirectly mitigated the degradation of Pu and MA. Consequently, the designed core allowed for multiple recycling to continue until the Pu and MA reduced significantly, particularly by about 99% in a phaseout scenario starting from a fast-reactor fleet of 30-GWe nuclear power capacity. Fast reactors were found to have the potential to become self-contained energy systems that can minimize the inventories of Pu they produced themselves, as well as long-lived MA. Fast reactors can be among the important options for environmental burden reduction in the future.