Investigation of reactivity coefficient characteristics in actinide burning core concept 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概念の反応度係数特性の研究

毛利 哲也 ; 大木 繁夫 

Mori, Tetsuya; Oki, Shigeo

先行研究においてわれわれは、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(TRU)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構築した。多重リサイクルによりTRUは高次化し、反応度係数、特にドップラ係数及びナトリウムボイド反応度を悪化させることで炉心設計の成立性に影響を与えた。本研究は燃焼炉心概念が有するドップラ係数及びナトリウムボイド反応度の特性を研究した。TRUの高次化によるドップラ係数及びナトリウムボイド反応度の悪化は、高次化が引き起こす中性子スペクトルの硬化や中性子インポータンスのエネルギー勾配の急峻化といった間接効果により生じている。これへの対策として燃焼炉心概念に採用された炭化ケイ素(SiC)構造材料の被覆管及びラッパ管への使用は、C-12による中性子スペクトルの軟化効果により、TRU高次化とは逆の間接効果をもたらすことにより反応度係数を改善している。加えて構造材料としての密度が金属構造材よりも低いことによる中性子漏洩効果もナトリウムボイド反応度の改善に寄与していることを確認した。一方でSiC構造材の使用により、計算手法起因の不確かさの増加が確認されたが、この増加は容易に解消可能であり、実質的に無視できる。さらに、ブランケット燃料を有しない燃焼炉心のドップラ係数は、炉心外部からの減速された中性子の反射効果により増加していることを発見した。この特性は、TRU高次化による反応度係数悪化への新たな対策になりえる。本研究で明らかにした反応度係数についての特性は、今後のTRU燃焼炉心の詳細設計や設計改良に貴重な知見を与えるものである。

This study investigates the characteristics of the Doppler coefficient and sodium void reactivity of a burning fast reactor core concept, which was constructed in a previous study. This concept allows for multiple recyclings of plutonium and minor actinides (transuraniums (TRU)). TRU degradation due to multiple recycling deteriorates the reactivity coefficients through indirect effects, such as by hardening the neutron spectrum and steepening the energy gradient of neutron importance. Using silicon carbide (SiC) structural material improves the reactivity coefficient by causing an opposite indirect effect of TRU degradation. This improvement results not only from neutron spectrum softening due to the neutron moderation effect from C but also from the neutron leakage effect resulting from the low structural material density. The disadvantage of increased calculation uncertainty by using SiC structural material can be practically ignored. Furthermore, the burning core has Doppler coefficient enhancement characteristics by the moderated neutron reflection effect from outside the core. This characteristic has the potential to provide a new measure for reactivity coefficient deterioration due to TRU degradation. The reactivity coefficient characteristics clarified in this study can provide valuable knowledge for future detailed designs and design improvements of a TRU burning core.