Research on improvement of HTGR core power-density, 4; Feasibility study for a reactor core

沖田 将一朗; 水田 直紀; 高松 邦吉; 後藤 実; 吉田 克己*; 西村 洋亮*; 岡本 孝司*

Proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30) (Internet), 10 Pages, 2023/05

Adoption of SiC-matrix fuel elements in future pin-in-block type HTGR designs will enhance oxidation resistance of the fuel element in the event of the air ingress accident, one of the most worrisome accidents in HTGRs. This would eliminate the need for the graphite sleeves used in the current pin-in-block type HTGR designs and enable high power density core designs with sleeveless and direct coolable fuel structure. Such a concept itself has been suggested by Japan Atomic Energy Agency (JAEA) in the past. However, JAEA has not yet demonstrated the feasibility for a core design with the SiC-matrix fuel elements. The present work is intended to demonstrate the feasibility for a new core design upgraded from an existing conceptual core design, called HTR50S, with 50 MW thermal power and reactor outlet temperature of 750C. The new core design uses SiC-matrix fuel elements and increases the reactor power density to 1.2 times higher than the original HTR50S design. The feasibility is determined by whether the core satisfies the target values in nuclear and thermal-hydraulic designs by performing burn-up calculation with the whole core model and fuel temperature calculations. The calculation results showed that the new core design satisfied these target values on the reactor shutdown margin, the temperature coefficient of reactivity, and the maximum fuel temperature during normal operation.

Study on plutonium burner high temperature gas-cooled reactor in Japan; Introduction scenario, reactor safety and fabrication tests of the 3S-TRISO fuel

植田 祥平; 水田 直紀; 深谷 裕司; 後藤 実; 橘 幸男; 本田 真樹*; 齋木 洋平*; 高橋 昌史*; 大平 幸一*; 中野 正明*; et al.

Nuclear Engineering and Design, 357, p.110419_1 - 110419_10, 2020/02

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2019.110419

固有の安全性に優れ高効率なプルトニウムの利用が可能なプルトニウム燃焼高温ガス炉が提案されている。プルトニウム燃焼高温ガス炉に用いるセキュリティ強化型安全(3S-TRISO)燃料においては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を不活性母材とするPuO-YSZ燃料核へ、遊離酸素ゲッターの特性を有する炭化ジルコニウム(ZrC)を直接被覆する。本論文では、プルトニウム燃焼高温ガス炉の成立性および3S-TRISO燃料の研究開発について報告する。

Development of security and safety fuel for Pu-burner HTGR; Test and characterization for ZrC coating

植田 祥平; 相原 純; 後藤 実; 橘 幸男; 岡本 孝司*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 5(5), p.18-00084_1 - 18-00084_9, 2018/10

https://doi.org/10.1299/mej.18-00084

プルトニウム燃焼高温ガス炉に用いるセキュリティ強化型安全(3S-TRISO)燃料においては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を不活性母材とするPuO-YSZ燃料核へ、遊離酸素ゲッターの特性を有する炭化ジルコニウム(ZrC)を直接被覆する。2015年度より開始した模擬のYSZ粒子への臭化物化学蒸着法に基づくZrC被覆試験の結果、粒子装荷量100gの条件において被覆層厚さ約18から21mのZrC層の被覆に成功した。また、走査型電子顕微鏡(STEM)を通じて、臭化物法の原料ガスによるYSZ表面の劣化は観察されなかった。

Study on Pu-burner high temperature gas-cooled reactor in Japan; Design study of fuel and reactor core

後藤 実; 相原 純; 稲葉 良知; 植田 祥平; 深谷 裕司; 岡本 孝司*

Proceedings of 9th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2018) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2018/10

日本原子力研究開発機構はプルトニウム燃焼高温ガス炉の設計研究を行っている。プルトニウム燃焼高温ガス炉は核分裂によりプルトニウムを削減するため、効率的な削減には高燃焼度が必要とされる。燃料設計においては、高燃焼度での被覆燃料粒子の破損を防ぐために、酸素ゲッターとして機能し内圧を抑制する薄いZrC層を燃料核に被覆することとした。被覆燃料粒子の圧力容器としての機能を持つSiC層の応力解析をZrC層による内圧抑制効果を考慮して行い、500GWd/tの高燃焼度における被覆燃料粒子の破損割合は目標値を満たした。炉心設計においては、高燃焼度を達成するために軸方向燃料シャッフリングを採用することとした。全炉心燃焼計算及び燃料温度計算を行い、炉停止余裕及び反応度温度係数といった核特性値、及び燃料温度は目標値を満たした。

Development of security and safety fuel for Pu-burner HTGR, 2; Design study of fuel and reactor core

後藤 実; 植田 祥平; 相原 純; 稲葉 良知; 深谷 裕司; 橘 幸男; 岡本 孝司*

Proceedings of 25th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25) (CD-ROM), 6 Pages, 2017/07

PuO-YSZ燃料核にZrC被覆を施して3S(核不拡散、安全、核セキュリティ)を向上させた3S-TRISO燃料をプルトニウム燃焼高温ガス炉に導入することが提案されている。本研究では、ZrC被覆の遊離酸素ゲッターとしての有効性を熱化学平衡計算に基づき評価するとともに、3S-TRISO燃料の成立性の予備検討を、燃料内圧に着目して行った。また、炉心燃焼計算を行い炉心成立性について予備検討を行った。熱科学平衡計算の結果は、1600C以下の温度条件で、発生する遊離酸素の全量を薄いZrC層で捕獲されることを示し、燃料核へのZrC被覆は内圧抑制に非常に有効と考えられる。燃焼度500GWd/tでの3S-TRISO燃料の内圧計算結果は、既に概念設計が行われた炉心の同じサイズのUO燃料の内圧より低いことから、3S-TRISO燃料の成立性は十分見込まれる。また、炉心燃焼計算の結果は、軸方向燃料シャッフリングの採用により約500GWd/tの高燃焼度の達成が可能なこと及び反応度温度係数を燃焼期間にわたり負を維持できることを示しており、炉心の核的な成立性も十分見込まれる。

Conceptual study of a plutonium burner high temperature gas-cooled reactor with high nuclear proliferation resistance

後藤 実; 出町 和之*; 植田 祥平; 中野 正明*; 本田 真樹*; 橘 幸男; 稲葉 良知; 相原 純; 深谷 裕司; 辻 延昌*; et al.

Proceedings of 21st International Conference & Exhibition; Nuclear Fuel Cycle for a Low-Carbon Future (GLOBAL 2015) (USB Flash Drive), p.507 - 513, 2015/09

高い核拡散抵抗性を有するプルトニウム燃焼高温ガス炉(クリーンバーン炉)の概念が日本原子力研究開発機構から提案されている。高い核拡散抵抗性に加え、更なる安全性向上を目的とし、ZrC被覆を施したPuO-YSZ TRISO燃料を導入したクリーンバーン炉の概念検討を行う。本研究では、ZrC被覆を施したPuO-YSZ TRISO燃料の製造に関する基盤技術を確立するために製造試験を行う。また、クリーンバーン炉の成立性を確認するためにセキュリティの定量評価、燃料と炉心の設計、及び原子炉の安全評価を行う。本研究は、東京大学,日本原子力研究開発機構,富士電機、及び原子燃料工業により、2014年度から2017年度まで行われる。本発表では、全体計画、及び2014年度に得られた成果について報告する。

Non-uniform structures in low-density nuclear matter and neutron star crust

岡本 稔; 丸山 敏毅; 矢花 一浩*; 巽 敏隆*

Proceedings of Science (Internet), 146, p.218_1 - 218_6, 2013/04

https://doi.org/10.22323/1.146.0218

中性子星クラストや超新星爆発の前段階の低密度原子核物質において、「原子核パスタ」と呼ばれる非一様構造が現れると示唆されている。多くの先行研究において、一様背景電子と「原子核パスタ」の結晶構造が仮定され、Wigner-Seitz(WS) cell近似も使われてきた。球状の「原子核パスタ」(droplet)において、体心立方(bcc)格子が、面心立方(fcc)格子や単純立方格子よりエネルギー的に安定であるとされてきた。これは同等のサイズのdropletをそれぞれの結晶格子に配置した場合のクーロンエネルギーを比較することによって決定された。より正確には、電子の非一様性とdropletの結晶格子に応じたサイズを考慮しなければならない。われわれは相対論的平均場理論とThomas-Fermi模型に基づいてベータ平衡下の低密度原子核物質に対して空間3次元の計算を行った。発表では、エネルギー的に最も安定な構造、WS cell近似を用いた場合との比較、dropletのfccとbccにおける差異などについて述べる。また、中性子星クラスト物質の弾性率に対するdropletの有限サイズ効果や結晶構造の影響についても言及する。

高速実験炉燃料体の流動試験,2; 成果報告書

岡本 芳三; 秋野 詔夫; 江森 恒一; 谷田 稔

PNC TJ250 71-02, 80 Pages, 1971/09

PNC-TJ250-71-02.pdf:3.13MB

本報告書は、高速実験炉「常陽」の第ニ次試作燃料体の水ループによる流動特性試験の結果について記したものである。試験を行なった燃料体は、ワイヤ・スペーサーを有する炉心およびブランケット燃料体各一種である。圧力降下・流速分布・燃料ピンの振動変形及び混合効果に関する諸特性が測定された。

低密度核物質の非一様構造による3次元結晶

岡本 稔*; 丸山 敏毅; 矢花 一浩*; 巽 敏隆*

no journal, , 

相対論的平均場模型を用いた数値計算によって低密度原子核物質の性質を調べる。原子核物質の非一様構造の研究では、空間的対称性を持ったWigner Seitzセル近似がよく用いられてきた。これにより計算コストを大幅に軽減することができる代わりに、計算によって現れる非一様構造が空間的対称性を持ったものに限られるうえ、かなり単純な構造しか扱うことができなかった。今回、このWigner Seitzセル近似を用いずに、周期的境界条件を課した十分に大きな3次元セルによる計算を行った。これにより、これまで低密度核物質中に現れると思われている5種類の「パスタ構造」が3次元計算でも現れることを確かめた。また、典型的なパスタ構造以外の、ネットワークを持った複雑な構造が準安定状態として存在する可能性があることがわかった。また、現れる非一様構造とそれに伴う状態方程式についても報告する。

低密度核物質の非一様構造による3次元結晶

岡本 稔; 丸山 敏毅; 矢花 一浩*; 巽 敏隆*

no journal, , 

飽和密度以下の中性子星物質や超新星物質では、奇妙な形の構造の出現が1980年代から予言されてきた。その形状がスパゲッティ(棒状)・ラザニア(板状)などに似ていることから、このような非一様構造を原子核のパスタ構造と呼んでいる。パスタ構造は、一様構造と異なる状態方程式を与えたり、ニュートリノの透過性をはじめとする物質の性質に影響を与えると考えられている。そのため、核物質中のパスタ構造はさまざまな手法を用いて研究されてきた。本研究では相対論的平均場模型を用いてThomas-Fermi近似を課したうえで、低密度核物質の3次元の非一様構造の計算を行った。今回の発表では3次元の計算による結果と従来よく用いられてきたWigner-Seitz cell近似を用いた場合との定量的な比較、そして新たに得た核物質の状態方程式について議論したい。また、典型的なパスタと異なる新たな構造の可能性についても触れていきたい。