JP2005338042A - Critical safety design program for equipments for transporting and storing spent fuel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、使用済燃料の輸送・貯蔵に関わる機器の臨界安全設計に関するもので、特に、過度な安全裕度を取ることなく、合理的な設計が可能な、燃焼度クレジットを採用した使用済燃料の輸送キャスクおよび使用済燃料の貯蔵ラックの臨界安全設計プログラムに関する。 The present invention relates to criticality safety design of equipment related to transportation and storage of spent fuel, and in particular, spent spent adopting burnup credits that can be rationally designed without taking excessive safety margins. The present invention relates to a criticality safety design program for fuel transportation casks and spent fuel storage racks.
使用済ウラン(U)燃料または使用済混合酸化物燃料(MOX)の輸送および貯蔵機器の臨界安全設計を行う場合、従来、燃料の燃焼による反応度の低下を考慮しない新燃料仮定に基づく保守的な臨界安全設計が行われることが多かった。近年の高燃焼度化燃料設計に伴う、燃料の高濃縮度化により、上記新燃料仮定に基づく臨界安全設計では、過度に保守的な設計となり、輸送および貯蔵機器の高コスト化を招く等の問題が生じている。合理的な輸送および貯蔵機器の設計を行うために、燃料集合体の中の核分裂性核種濃度は燃焼と共に減耗し、核分裂生成物(FP)などの中性子吸収物質が生成し、その結果、燃料集合体の中性子増倍特性は低下するという特性を考慮する、燃焼度クレジットを採用した設計が進められている。 When conducting criticality safety design of transport and storage equipment for spent uranium (U) fuel or spent mixed oxide fuel (MOX), conservatively based on new fuel assumptions that do not take into account a decrease in reactivity due to fuel combustion. In many cases, critical safety design was performed. Due to the high enrichment of fuel accompanying the recent high burnup fuel design, the critical safety design based on the above new fuel assumption makes the design overly conservative, leading to high costs for transportation and storage equipment, etc. There is a problem. In order to design reasonable transport and storage equipment, the fissionable nuclide concentration in the fuel assembly is depleted with combustion, producing neutron absorbing materials such as fission products (FP), resulting in the fuel assembly The design using burn-up credits is underway, taking into account the characteristic that the neutron multiplication characteristic of the body decreases.
ところが、燃焼度クレジットを採用した設計においても、「”Burnup Credit Application of Transportation and Storage of Spent BWR Fuel Assemblies”, ICNS’99, Versailles, Vol.4, p.1635(1999)」等に示されるように、各燃料集合体の燃焼度やボイド率を個々に考慮することなしに、全燃料を包括するようなモデルバンドルを作成し、臨界安全設計を行っているために、新燃料仮定よりは合理的になっているものの、まだ、安全裕度には過度な保守性がある。また、想定した使用済燃料と異なる燃料が装荷された場合には、上記モデルバンドルを改めて作成する必要があり、汎用性の面で問題がある。 However, even in a design employing burnup credits, as shown in "" Burnup Credit Application of Transportation and Storage of Spent BWR Fuel Assemblies ", ICNS'99, Versailles, Vol.4, p.1635 (1999)" In addition, a model bundle that includes all fuels is created without considering the burnup and void ratio of each fuel assembly individually. However, the safety margin is still excessively conservative. In addition, when a fuel different from the assumed spent fuel is loaded, it is necessary to create the model bundle again, which is problematic in terms of versatility.
さらに、過度な保守性を設定せざるを得ない理由の一つとして、設計手法を実証するための使用済燃料による臨界試験データが殆どなく、またその臨界試験の実施には多大なコストがかかるという問題がある。 Furthermore, as one of the reasons why excessive maintainability must be set, there is almost no criticality test data with spent fuel for demonstrating the design method, and the implementation of the criticality test is very expensive. There is a problem.
使用済燃料の輸送および貯蔵機器の臨界安全解析は、世界的に実績のある米国で開発されたSCALEシステム中のエネルギー多群モンテカルロ法に基づく輸送計算コ−ドKENOが使用されることが多い。モンテカルロ法は輸送計算だけでなく多くの分野で用いられる手法である。原理は、例えば或る領域で中性子が吸収されるかどうか、また、散乱後の中性子のエネルギーはどうなるか等を乱数を発生させて決定するというものである。 For the criticality safety analysis of spent fuel transportation and storage equipment, the transportation calculation code KENO based on the energy multi-group Monte Carlo method in the SCALE system developed in the world-proven US is often used. The Monte Carlo method is used not only for transport calculations but also in many fields. The principle is to determine, for example, by generating random numbers whether neutrons are absorbed in a certain region and what the energy of neutrons after scattering will be.
モンテカルロ法は物理現象を忠実に模擬した手法であり、幾何学的体系を自由に記述することができるために、解の精度は高いが多くの計算時間を必要とする。中性子またはγ線などの光子の輸送計算を解くモンテカルロ計算コードには、大きく分けてエネルギー多群モンテカルロ法と、連続エネルギーモンテカルロ法の2つがある。 The Monte Carlo method is a method that faithfully simulates a physical phenomenon. Since a geometric system can be freely described, the accuracy of the solution is high, but a lot of calculation time is required. Monte Carlo calculation codes for solving transport calculations of photons such as neutrons or γ rays can be broadly divided into two groups: an energy multi-group Monte Carlo method and a continuous energy Monte Carlo method.
エネルギー多群モンテカルロ法は、中性子のエネルギーを群に分割して取り扱うものであり、例えばエネルギーを2群に分割し、第1群が>1MeV、第2群が<1MeVとすると、中性子のエネルギーは2種類しか存在しないことになる。これに対し、連続エネルギーモンテカルロ法はエネルギーを分割しないため、中性子のエネルギーは無限に存在する。 The energy multi-group Monte Carlo method deals with neutron energy divided into groups. For example, when energy is divided into two groups, the first group is> 1 MeV and the second group is <1 MeV, the neutron energy is There are only two types. On the other hand, since the continuous energy Monte Carlo method does not divide the energy, the energy of neutrons is infinite.
しかして、エネルギー多群モンテカルロ法はエネルギー数が少ないため計算時間が速いという利点があり、連続エネルギーモンテカルロ法は計算時間はかかるが精度が良いという利点がある。 The energy multi-group Monte Carlo method has the advantage that the calculation time is fast because the number of energy is small, and the continuous energy Monte Carlo method has the advantage that the calculation time is long but the accuracy is high.
連続エネルギーモンテカルロコードとしては米国ロスアラモス研究所で開発されたMCNPや日本原子力研究所で開発されたMVPがある。KENOコードはエネルギー多群モンテカルロ法であり、計算速度が速く、また、使用済燃料の輸送および貯蔵機器体系に対して十分な精度を持つことが報告されている。本システムは、輸送キャスクのような中性子の漏れの大きい体系に対しても良い精度を持つが、BWRのような複雑な濃縮度をもつ燃料集合体の燃焼計算を行うことはできないため、燃料集合体の核定数を作成するためには、上記モデルバンドルを作成する必要がある。また、一般的に「“Development and Validation of TGBLA Lattice Physics Method”, Proc. ANS Topical Mtg. On Reactor Physics and Shielding, Chicago, Illinois, Vol.I, p.364(1984)」等で示される衝突確率法に基づく燃料集合体設計コードは、複雑な濃縮度分布を持つ燃料集合体に対しても、精度良く燃料集合体の燃焼計算を行うことができるが、これらのコードは、拡散計算に基づき炉心特性を計算する炉心プロセスコンピュータや3次元炉心シミュレーションコードで使用するための少数エネルギー群拡散定数を作成するように設計されている。少数エネルギー群のエネルギー群分割は、通常、1〜3群程度である。 The continuous energy Monte Carlo code includes the MCNP developed at the Los Alamos Laboratory in the US and the MVP developed at the Japan Atomic Energy Research Institute. The KENO code is an energy multi-group Monte Carlo method, which is reported to be fast in calculation speed and sufficiently accurate for spent fuel transportation and storage equipment systems. This system has good accuracy even for systems with large neutron leakage, such as transport cask, but cannot perform combustion calculations for fuel assemblies with complex enrichments such as BWRs. In order to create the nuclear constant of the field, it is necessary to create the above model bundle. In addition, the collision probability indicated by “Development and Validation of TGBLA Lattice Physics Method”, Proc. ANS Topical Mtg. On Reactor Physics and Shielding, Chicago, Illinois, Vol.I, p.364 (1984) The fuel assembly design code based on the method can accurately calculate the combustion of fuel assemblies even for fuel assemblies with complex enrichment distributions. These codes are based on diffusion calculations. Designed to create minority energy group diffusion constants for use in core process computers and 3D core simulation codes to calculate properties. The energy group division of the minority energy group is usually about 1 to 3 groups.
衝突確率法とは、中性子輸送方程式の近似解法の一つである。体系を有限個の領域に分割し、各領域の中性子が吸収されるか、体系外に逃げ出すかの確率を計算し、求められた確率を衝突確率といい、この衝突確率に基づいて、輸送方程式を解く方法を衝突確率法という。 The collision probability method is an approximate solution of the neutron transport equation. Dividing the system into a finite number of regions, calculating the probability of whether the neutrons in each region are absorbed or escaping outside the system, the calculated probability is called the collision probability, and based on this collision probability, the transport equation The method of solving is called the collision probability method.
一般に、原子炉の炉心は燃料が棒状で、その周囲に減速材または冷却材が存在するという非均質な領域で構成されている。衝突確率法は非均質領域を精度よく取り扱う方法として広く用いられている。拡散計算は中性子の漏れの少ない大型炉心に対しては良い精度を持つが、輸送キャスクのような中性子の漏れの大きい体系に対しては、上記のモンテカルロ法に基づく輸送計算コードに比べて、誤差が大きくなる可能性がある。 Generally, the core of a nuclear reactor is composed of a non-homogeneous region in which fuel is rod-shaped and moderators or coolants are present around it. The collision probability method is widely used as a method for accurately handling non-homogeneous regions. Diffusion calculations have good accuracy for large cores with low neutron leakage, but for systems with large neutron leakage such as transport cask, the error is higher than the transport calculation code based on the Monte Carlo method described above. May become large.
炉心プロセスコンピュータとは、発電所において、運転中の原子炉の中性子束分布や水温、制御棒位置などを監視し運転データとして記憶装置に記録し、その記録された運転データを用いて、実測値に合うように計算値を補正する学習機能を備えた計算機である。この計算機に導入されているモデルは3次元炉心シミュレータに用いられているモデルとほぼ同等であるが、計算速度を向上させるために一部に簡易モデルが使用されることもある。 The core process computer is a power plant that monitors the neutron flux distribution, water temperature, control rod position, etc. of the operating reactor, records it in the storage device as operation data, and uses the recorded operation data to measure actual values. It is a computer provided with a learning function for correcting the calculated value so as to suit. The model introduced in this computer is almost the same as the model used in the three-dimensional core simulator, but a simple model may be used in part to improve the calculation speed.
3次元炉心シミュレータとは上記衝突確率法で作成した燃料集合体単位の拡散定数等を用いて、全炉心の核特性を計算するコンピュータプログラムである。3次元炉心シミュレータでは、ノード法と呼ばれる計算手法が用いられる。燃料集合体を軸方向に24等分した約15cmの立方体を1ノード単位として、炉心ノード単位に分割し、各ノード内は均質として扱う、通常、多次元の体系を計算するコンピュータプログラムでは、全空間を網の目のように小さなメッシュに分割する。一般的にメッシュ数が多いほど精度は高くなるが、計算時間は長くなる。ノード法では、粗いメッシュでも精度を上げるために、ノード内の中性子束分布を表す解析的モデルなどを取り入れるなどの工夫を行う(参考文献:日本原子力学会発行「原子炉炉心計算法の高度化の現状と展望」)。
本発明は、高精度に燃料集合体の燃焼計算を行うことができる衝突確率法に基づく燃料集合体設計コードから作成された拡散定数を、エネルギー多群モンテカルロ法で使用できる輸送断面積に変換し、かつ、炉心プロセスコンピュータまたは炉心シミュレーションコードから得られる燃焼度と平均ボイド率を用いて、当該燃料集合体の核定数を作成し、中性子の漏れの大きい体系でも精度良く未臨界度を評価できるエネルギー多群モンテカルロ法により、合理的な燃焼度クレジットを採用した、使用済燃料の輸送キャスクおよび使用済燃料の貯蔵ラックの臨界安全設計プログラムを提供することを目的とする。 The present invention converts a diffusion constant created from a fuel assembly design code based on a collision probability method capable of performing combustion calculation of a fuel assembly with high accuracy into a transport cross section that can be used in an energy multi-group Monte Carlo method. In addition, using the burnup and average void fraction obtained from the core process computer or core simulation code, the nuclear constant of the fuel assembly is created, and energy that can accurately evaluate subcriticality even in systems with large neutron leakage It is an object of the present invention to provide a critical safety design program for a spent fuel transportation cask and spent fuel storage rack, which employs a reasonable burnup credit by the multi-group Monte Carlo method.
本発明は、衝突確率法に基づく燃料設計コードで計算された燃料集合体の燃焼度およびボイド率依存核定数を輸送断面積に変換し、この輸送断面積の内、炉心プロセスコンピュータから得られた燃料集合体の燃焼度と全燃焼期間のボイド率を平均した平均ボイド率に相当する部分を抽出することにより、使用済燃料集合体の輸送断面積を作成し、該使用済燃料集合体を輸送および貯蔵する際の配置と上記使用済燃料集合体の輸送断面積を用いて、エネルギー多群モンテカルロ法により、使用済燃料集合体を輸送および貯蔵する機器の未臨界度を算出することを特徴とする。 The present invention converts the burnup and void fraction dependent nuclear constant of the fuel assembly calculated by the fuel design code based on the collision probability method into a transport cross section, and obtained from the core process computer within this transport cross section. By extracting the portion corresponding to the average void fraction that is the average of the burnup of the fuel assembly and the void fraction over the entire combustion period, the transport cross-sectional area of the spent fuel assembly is created and the spent fuel assembly is transported. And calculating the subcriticality of the equipment for transporting and storing the spent fuel assembly by the energy multi-group Monte Carlo method using the storage arrangement and the transport cross-sectional area of the spent fuel assembly. To do.
また、本発明は、衝突確率法に基づく燃料設計コードで計算された燃料集合体の燃焼度およびボイド率依存核定数を輸送断面積に変換し、この輸送断面積の内、3次元炉心シミュレーションコードから得られた燃料集合体の燃焼度と全燃焼期間のボイド率を平均した併記ボイド率に相当する部分を抽出することにより、使用済燃料集合体の輸送断面積を作成し、該使用済燃料集合体を輸送および貯蔵する際の配置と上記使用済燃料集合体の輸送断面積を用いて、エネルギー多群モンテカルロ法により、使用済燃料集合体を輸送および貯蔵する機器の未臨界度を算出することを特徴とする。 Further, the present invention converts the burnup and void ratio dependent nuclear constant of the fuel assembly calculated by the fuel design code based on the collision probability method into a transport cross section, and among these transport cross sections, a three-dimensional core simulation code By extracting the portion corresponding to the combined void ratio obtained by averaging the burnup of the fuel assembly obtained from the above and the void ratio of the entire combustion period, a transport cross-sectional area of the spent fuel assembly is created, and the spent fuel Calculate the subcriticality of the equipment that transports and stores the spent fuel assembly by the energy multi-group Monte Carlo method using the arrangement for transporting and storing the assembly and the transport cross section of the spent fuel assembly. It is characterized by that.
本発明によれば、衝突確率法による燃料設計コードとエネルギー多群モンテカルロ法と、炉心プロセスコンピュータまたは炉心シミュレーションコードから得られる燃焼度、平均ボイド率を用いて、合理的な燃焼度クレジットを採用した使用済燃料の輸送および貯蔵機器の臨界安全設計ができる。 According to the present invention, a reasonable burnup credit is adopted by using the fuel design code by the collision probability method, the energy multi-group Monte Carlo method, the burnup obtained from the core process computer or the core simulation code, and the average void fraction. Critical safety design of spent fuel transportation and storage equipment.
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の一実施形態としての基本的構成例を示したブロック図である。この図1に示すように使用する燃料タイプ全てについて、燃料集合体の幾何学的寸法、燃焼度ステップ、初期燃料組成、出力密度、ボイド率を指定した第1の入力ファイル1を作成し、衝突確率法に基づく燃料設計コード2で上記燃料集合体の燃焼計算を行う。そして、上記計算の結果得られた燃焼度・ボイド率依存の燃料集合体の拡散定数(D)、総断面積(T)、吸収断面積(A)、減速断面積(SL)、および中性子生成断面積(P)を第1の出力ファイル3に記憶させる。一方、第2の入力ファイル4には、炉心内の燃料集合体配置、制御棒の挿入位置、出力密度、炉心運転および停止計画が指定されており、上記第2の入力ファイル4の炉心内の燃料集合体配置、制御棒の挿入位置、出力密度、炉心運転および停止計画と、第1の出力ファイル3に記憶されている燃焼度・ボイド率依存の燃料集合体の拡散定数(D)、総断面積(T)、吸収断面積(A)、減速断面積(SL)、および中性子生成断面積(P)が炉心プロセスコンピュータまたは3次元炉心シミュレータ5に入力され、そこで使用済燃料集合体の燃焼度、および燃焼中の平均ボイド率が計算され、使用済燃料集合体の燃焼度、および燃焼中の平均ボイド率が第2の出力ファイル6に記憶される。
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration example as one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
一方、前記第1の出力ファイル3に記憶された各定数は対角線輸送近似法による断面積変換コード7の入力となる。ここで、D、T、A、P、TR、SL、Sで示した各定数はエネルギー依存であり、正確にはD(E)、T(E)、A(E)、P(E)、TR(E)、SL(E′→E)、S(E′→E)となる。減速断面積SLとは、或るエネルギー群E′からエネルギー群Eへ散乱する確率を表すが、エネルギー群E内での散乱確率(自群散乱断面積とよぶ)は含まない。即ち、E≠E′である。これに対し、散乱断面積 S(E′→E)は自群散乱断面積S(E→E)を含む。 E≠E′での減速断面積SL(E′→E)は散乱断面積S(E′→E)と等しい。この差異は、拡散計算では自群散乱断面積は必要としないが、モンテカルロ計算では自群散乱断面積を必要とすることによる。
On the other hand, each constant stored in the
輸送断面積は一般的な原子炉物理の参考書に記載されているように(例えば、現代工学社 J.J.ドゥデルスタット、L.J.ハミルトン著 成田正邦、藤田文行共訳「原子炉の理論と解析」第4章など)ルジャンドル展開により角度依存を表すと、
となる。ここで、
E’:入射中性子エネルギー群
E:散乱後中性子エネルギー群
μ:散乱余弦
Σs(E’→E,μ):角度依存散乱断面積
Σsl(E’→E):l次の散乱断面積
Pl(μ):l次のルジャンドル係数
である。
It becomes. here,
E ': Incident neutron energy group
E: Scattered neutron energy group μ: Scattering cosine Σ s (E '→ E, μ): Angle-dependent scattering cross section Σ sl (E' → E): l-order scattering cross section
P l (μ): l-order Legendre coefficient.
ここで、0次と1次の散乱断面積は以下のようになる。
ここで、Σs(E’→E)は角度依存散乱断面積Σs(E’→E,μ)を角度積分したものである。μは散乱余弦である。 Here, Σ s (E ′ → E) is an angle integral of the angle-dependent scattering cross section Σ s (E ′ → E, μ). μ is the scattering cosine.
上記の散乱断面積で、衝突確率法を使う燃料設計コードではΣs(E’→E)しか出力することはできないため、輸送断面積の角度依存性を考慮することができない。。 With the above scattering cross section, the fuel design code that uses the collision probability method can output only Σ s (E '→ E), so the angle dependence of the transport cross section cannot be considered. .
そこで、実質的に1次の角度依存まで考慮した場合と、ほぼ等価な解が得られるように全断面積Σt(E)を輸送断面積Σtr(E)におきかえる。Σtr(E)は以下のように表される。 Therefore, the total cross-sectional area Σ t (E) is replaced with the transport cross-sectional area Σ tr (E) so that a substantially equivalent solution can be obtained when considering substantially the first-order angle dependence. Σ tr (E) is expressed as follows.
Σtr(E)= 1/3D(E)=Σt(E)−μ(E)Σs(E)
ここで、D(E)はE群の拡散定数であり、燃料設計コードから出力されるものである。
Σ tr (E) = 1 / 3D (E) = Σ t (E)-μ (E) Σ s (E)
Here, D (E) is a diffusion constant of the E group, and is output from the fuel design code.
Σs(E)はΣs(E’→E)を入射エネルギー群E’で積分したものである。 Σ s (E) is obtained by integrating Σ s (E ′ → E) with the incident energy group E ′.
上記の操作は、散乱の1次の成分の効果を全断面積で補正していることになる。ここで、入射エネルギー群E’の積分値μ(E)Σs(E)は、上記Σtr(E)とΣt(E)から評価できるが、微分値μ(E’→E)・Σs(E’→E)は評価できない。そこで、中性子バランスを保つために、自群散乱断面積Σs(E→E)をΣs(E→E)−μ(E)Σs(E)におきかえる。 The above operation corrects the effect of the primary component of scattering with the total cross-sectional area. Here, the integral value μ (E) Σ s (E) of the incident energy group E ′ can be evaluated from the above Σ tr (E) and Σ t (E), but the differential value μ (E ′ → E) · Σ s (E '→ E) cannot be evaluated. Therefore, in order to maintain the neutron balance, the self-group scattering cross section Σ s (E → E) is replaced with Σ s (E → E) −μ (E) Σ s (E).
上記の操作を対角線輸送近似法と呼び、この操作により、燃料設計コードから1次の角度成分を考慮した0次輸送断面積(P0断面積)を作成することができる。 The above operation is called a diagonal transport approximation method, and by this operation, it is possible to create a zero-order transport cross-sectional area (P0 cross-sectional area) in consideration of the primary angle component from the fuel design code.
モンテカルロ計算のために新たに必要な断面積は輸送断面積TRと自群散乱断面積S(E→E)である。以下にエネルギー3群を例に断面積変換の操作を説明する。カッコ内の数字はエネルギーを示す。
The newly required cross sections for the Monte Carlo calculation are the transport cross section TR and the self-scattering cross section S (E → E). In the following, the cross-sectional area conversion operation will be described taking the
TR(1)=1/3D(1)
TR(2)=1/3D(2)
TR(3)=1/3D(3)
S(1→1)=T(1)−(A(1)+SL(1→2)+SL(1→3))
S(2→2)=T(2)−(A(2)+SL(2→1)+SL(2→3))
S(3→3)=T(3)−(A(3)+SL(1→2)+SL(1→3))
これらの定数は、燃焼度依存、ボイド依存で求められる。即ち、第1エネルギー群であればTR(1,BU(i)、V(j))、A(1,BU(i)、V(j))、P(1,BU(i)、V(j))、
S(1→1,BU(i)、V(j))、S(1→2,BU(i)、V(j))、S(1→3,BU(i)、V(j))が得られ、これらはテーブル化され第3の出力ファイル8に格納される。
TR (1) = 1 / 3D (1)
TR (2) = 1 / 3D (2)
TR (3) = 1 / 3D (3)
S (1 → 1) = T (1) − (A (1) + SL (1 → 2) + SL (1 → 3))
S (2 → 2) = T (2) − (A (2) + SL (2 → 1) + SL (2 → 3))
S (3 → 3) = T (3) − (A (3) + SL (1 → 2) + SL (1 → 3))
These constants are determined depending on the burnup and void. That is, in the first energy group, TR (1, BU (i), V (j)), A (1, BU (i), V (j)), P (1, BU (i), V ( j)),
S (1 → 1, BU (i), V (j)), S (1 → 2, BU (i), V (j)), S (1 → 3, BU (i), V (j)) Are obtained as a table and stored in the
ここで、特定の使用済燃料集合体の輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)を求めるために、前記第2の出力ファイル6に記憶されている燃焼度(BU(x))、ボイド率V(y)を用い、使用済となった燃料集合体の輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)を算出するコード9により、燃焼度(BU(x))、ボイド率V(y)をx、yが上記第3の出力ファイル8のテーブル中に存在すれば、そのときの輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)を抽出する。また、存在しない場合には、内外挿により上記輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)を算出する。そして、上記抽出または内外挿により算出された輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)は第4の出力ファイル10に格納される。すなわち、全燃料の燃焼度とボイド率を計算すると膨大な計算時間を要するので、代表的な燃焼度とボイド率についてのみ計算を行い、上述のように内挿、外挿により当該使用済燃料の核定数を決定することにより計算時間を短縮することができる。
Here, in order to obtain the transport cross section (TR), absorption cross section (A), neutron production cross section (P), and scattering cross section (S) of a specific spent fuel assembly, the second output file Using the burnup (BU (x)) and void fraction V (y) stored in Fig. 6, the transport cross section (TR), absorption cross section (A), and neutron production interruption of the spent fuel assembly By the code 9 for calculating the area (P) and the scattering cross section (S), the burnup (BU (x)) and the void ratio V (y) are x and y in the table of the
この際、計算時間および計算機の記憶容量を節約する必要がある場合には、さらに燃料タイプと炉心最外周かその他によりグループ分けを行い、グループ内の燃料集合体のボイド率は全て同じとすることにより、平均ボイド率の数を低減させ、さらに計算時間を短縮させることができる。。 At this time, if it is necessary to save calculation time and storage capacity of the computer, further group by fuel type and the outermost periphery of the core, etc., and the void fraction of the fuel assemblies in the group should be the same. As a result, the number of average void fractions can be reduced, and the calculation time can be further shortened. .
図2に第1の出力ファイル3から第4の出力ファイル10を作成するまでの流れを詳細に説明する。
FIG. 2 illustrates in detail the flow from the creation of the
次に、第4の出力ファイル10に格納された定数を用いて、使用済燃料輸送キャスクの臨界安全解析を行う。すなわち、使用済燃料輸送キャスクの燃料集合体配置および構造材配置を第3の入力ファイル11に入力させるとともに、第4の出力ファイル10に格納されている使用済の燃料集合体の核定数以外の構造材の定数を作成するための第4の入力ファイル12を作成し、その第4の入力ファイル12に構造材の組成、寸法を入力しておき、この構造材の組成、寸法に基づき1次元体系で輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、散乱断面積(S)を計算するコード13により、構造材定数計算を行う。このコードは既知のものであり、前記SCALEコードでも行うことができる。上記構造材の定数は、燃料集合体に比べて、臨界安全設計に及ぼす影響は小さく、既存の方法による定数作成法で十分な精度を得ることができる。
Next, a critical safety analysis of the spent fuel transport cask is performed using the constants stored in the
上記コード13により計算された燃料集合体以外の構造材の輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、散乱断面積(S)は、第5の出力ファイル14を介して、モンテカルロ法による使用済燃料輸送キャスクの未臨界度を計算するコード15に入力される。このモンテカルロ法による使用済燃料輸送キャスクの未臨界度を計算するコード15には、前記第3の入力ファイル11の使用済燃料輸送キャスクの燃料集合体配置および構造材配置の情報、および前記第4の出力ファイル10に格納されている輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)も入力され、そこで、モンテカルロ法による使用済燃料輸送キャスクの未臨界度が計算され、第6の出力ファイル16に上記使用済燃料輸送キャスクの未補正の未臨界度が格納される。
The transport cross section (TR), absorption cross section (A), and scattering cross section (S) of the structural material other than the fuel assembly calculated by the
ところで、上記第6の出力ファイル16に格納された未臨界度は、上述のように計算のみにより評価された未補正の未臨界度である。そこで、臨界実験解析や実機冷温臨界試験解析の結果から得られた測定値と計算値の比が補正因子として第5の入力ファイル17で作成されている。しかして、計算された未臨界度を補正するコード18において、上記第6の出力ファイル16に格納された未補正の未臨界度が、第5の入力ファイル17で作成された補正因子により補正され、最終的に第7の出力ファイル19に使用済燃料輸送キャスクの補正済の未臨界度を得ることができる。
By the way, the subcriticality stored in the
上記補正後の未臨界度が、モンテカルロ計算の統計誤差3σを考慮し、制限値以下であれば設計完了、制限値を越える場合は再設計を行う。 Considering the statistical error 3σ of the Monte Carlo calculation after the correction, the design is completed if it is less than the limit value, and redesign is performed if it exceeds the limit value.
計算コードは計算手法や各データに起因して系統的な誤差を持つ可能性がある。そこで、対象とする燃料集合体を模擬したいくつかの臨界試験装置による臨界実験解析や実機冷温臨界試験解析の結果から、上記系統的な誤差を評価し、計算された使用済燃料輸送および貯蔵機器の未臨界度を補正することにより、設計精度を向上させることができる。 Calculation codes may have systematic errors due to calculation methods and data. Therefore, the systematic error was evaluated from the results of criticality experiment analysis and actual cold / hot criticality test analysis using several criticality test devices simulating the target fuel assembly, and the spent fuel transportation and storage equipment calculated was calculated. The design accuracy can be improved by correcting the subcriticality.
実機冷温臨界とは、原子力発電所において原子炉を起動する際に、出力が出ていない状態、即ち水温が常温の状態での臨界状態のことである。 The actual cold temperature criticality is a state where no power is output when the nuclear reactor is started up, that is, a critical state where the water temperature is normal temperature.
従来の臨界安全設計手法で実機冷温臨界試験解析を行うと、ボイド率や出力密度を考慮した上で、燃料集合体内の燃料棒毎に核種組成を設定する必要があり、数十〜百万点のデータ入力が必要であり、事実上不可能であった。本発明でベースとしている燃料設計コードは元来炉心設計のためのものであり、断面積変換を行った後に得られる臨界安全設計用の断面積も出力密度やボイド率、燃料棒毎の組成を全て考慮済のものであるため、膨大な実機冷温臨界試験データを実証データとして利用することができ、使用済燃料の臨界試験データを安価に得ることができる。また、従来手法においては、実証データがないために過度な保守性を設定せざるを得なかったが、実証データが存在することにより、手法の精度が確認でき、さらに試験値と計算値の差から計算値の補正を行うことができる。 When performing a cold / cool criticality test analysis using a conventional critical safety design method, it is necessary to set the nuclide composition for each fuel rod in the fuel assembly, taking into account the void fraction and power density. Data entry was necessary and practically impossible. The fuel design code based on the present invention is originally intended for core design, and the cross-sectional area for critical safety design obtained after cross-sectional area conversion is also the power density, void ratio, and composition of each fuel rod. Since all of them have been taken into consideration, a huge amount of actual device cold / hot criticality test data can be used as demonstration data, and critical test data of spent fuel can be obtained at low cost. In addition, in the conventional method, there was no verification data, so excessive maintainability had to be set.However, the existence of verification data confirmed the accuracy of the method, and the difference between the test value and the calculated value. From this, the calculated value can be corrected.
図3は、本発明の他の実施の形態としての基本的構成を示すブロック図であり、設計の保守性を高めるために、使用済燃料中の負の反応度をもついくつかの核分裂生成物やアクチニドを除外するようにしたものである。すなわち、第1の出力ファイル3の各定数の内使用済燃料中の負の反応度をもつ特定の核分裂生成物やアクチニドの断面積を、特定の核分裂生成物やアクチニドの断面積を0にするコード20により除去し、燃焼度・ボイド率依存の燃料集合体の拡散定数(D)、総断面積(T)、吸収断面積(A)、除去断面積(R)、および中性子生成断面積(P)を第8の出力ファイル21に格納する。この第8の出力ファイル21の定数格納形式は第1の出力ファイル3と同一であり、その他は図1と同様である。なお、炉心プロセスコンピュータまたは3次元炉心シミュレータからの燃焼度情報は使用しない。
FIG. 3 is a block diagram showing a basic configuration as another embodiment of the present invention, and several fission products having negative reactivity in spent fuel in order to improve the maintainability of the design. And actinides are excluded. That is, the cross-sectional area of a specific fission product or actinide having negative reactivity in the spent fuel among the constants of the
しかして、本実施の形態においては負の反応度を有するものが除外されるので、結果として得られる未臨界度は第1の実施の形態における未臨界度よりも高くなり、臨界に近くなるため、設計上は不利であるが、保守性は高くなる。特に燃焼後の燃料集合体の組成誤差が大きいと思われる場合や、臨界実験解析や実機冷温試験解析のデータが少なく、補正因子の誤差が大きいと思われる場合などに有効である。 Thus, in the present embodiment, those having a negative reactivity are excluded, and the resulting subcriticality is higher than the subcriticality in the first embodiment, and is close to the criticality. Although it is disadvantageous in terms of design, maintainability is high. This is particularly effective when the composition error of the fuel assembly after combustion seems to be large, or when there is little data for critical experiment analysis or actual equipment cold / warm test analysis and the error of the correction factor seems to be large.
図4は本発明の他の実施の形態の基本構成例を示すブロック図であり、さらに保守性を高めるために燃料集合体の燃焼を考慮せず、かつ燃料集合体に配置されている中性子の強吸収体であるガドリニアを考慮しない、所謂「新燃料仮定」といわれる方式であり、最も保守性の高い方式である。 FIG. 4 is a block diagram showing an example of the basic configuration of another embodiment of the present invention. In order to further improve maintainability, the combustion of the fuel assembly is not considered and the neutrons arranged in the fuel assembly are not considered. It is a so-called “new fuel assumption” that does not consider gadolinia, which is a strong absorber, and is the most maintainable method.
すなわち、本実施の形態では燃焼計算を行わないため、第1の入力ファイル1では燃料集合体の幾何学的組成と初期燃料組成のみが入力される。なお、ガドリニアは初期燃料組成から除外される。そこで、衝突確率法による燃料設計コード2により、ガドリニアを含まない未燃焼時の常数が算出され、第9の出力ファイル23に記憶され、この第9の出力ファイル23に記憶された各定数は対角線輸送近似法による断面積変換コード7の入力となり、ここで算出された燃料集合体の輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)が第10の出力ファイル24に収納される。そして、上記燃料集合体の輸送断面積(TR)、吸収断面積(A)、中性子生成断面積(P)、散乱断面積(S)が、モンテカルロ法による使用済燃料輸送キャスクの未臨界度を計算するコード15に入力される。以下の操作は図2と同様に行うことができる。
That is, since the combustion calculation is not performed in the present embodiment, only the geometric composition and the initial fuel composition of the fuel assembly are input in the
図5は本発明のさらに他の実施に形態を示すブロック図であり、図4に示すものよりは設計の合理化を進めたものであり、ガドリクレジットと呼ばれる方式である。すなわち、前記第1の出力ファイル3に得られた燃焼度、或いは出力密度、ボイド率依存の燃料集合体の定数の中から、反応度が最大となる燃料集合体を選択し、該燃料集合体の定数を第11の出力ファイル25に記憶させ、この燃料集合体の定数、すなわち拡散定数(D)、総断面積(T)、吸収断面積(A)、減速断面積(SL)及び中性子生成断面積(P)を対角線輸送近似法による断面積変換コード7により変換する。以下の操作は図1及び図2と同様にして行うことができる。
FIG. 5 is a block diagram showing a further embodiment of the present invention. The system is more streamlined than the one shown in FIG. 4, and is a system called Gadori credit. That is, a fuel assembly having the highest reactivity is selected from the fuel assembly constants depending on the burnup, power density, and void ratio obtained in the
BWR燃料集合体では燃焼初期の反応度を抑えるためにガドリニアを装荷する。ガドリニアは中性子の強吸収体であるので、燃焼とともに減少する。したがって、燃焼に伴いガドリニアが減少し反応度は上昇するが、燃焼により燃料そのものも減少するので、或る燃焼度をピークに反応度は下降する。そこで、この反応度のピーク値を使用済燃料集合体の反応度として、臨界安全解析を行うものである。しかして、このピーク値は図4に示した新燃料仮定よりは小さいため、図4に示すプログラムより合理的な設計を行うことができる。 The BWR fuel assembly is loaded with gadolinia in order to suppress the reactivity at the initial stage of combustion. Since gadolinia is a strong neutron absorber, it decreases with combustion. Accordingly, the gadolinia decreases and the reactivity increases with combustion, but the fuel itself also decreases due to the combustion. Therefore, the reactivity decreases with a certain degree of combustion as a peak. Therefore, criticality safety analysis is performed using the peak value of the reactivity as the reactivity of the spent fuel assembly. Therefore, since this peak value is smaller than the new fuel assumption shown in FIG. 4, a more rational design than the program shown in FIG. 4 can be performed.
以上説明したように、本発明によれば、衝突確率法による燃料設計コードとエネルギー多群モンテカルロ法と、炉心プロセスコンピュータまたは3次元炉心シミュレータから得られる燃焼度、平均ボイド率を用いて、合理的な燃焼度クレジットを採用した使用済燃料の輸送及び貯蔵容器の臨界安全設計ができる。 As described above, according to the present invention, the fuel design code based on the collision probability method, the energy multi-group Monte Carlo method, the burnup and the average void ratio obtained from the core process computer or the three-dimensional core simulator can be used. It is possible to carry out critical safety design of transport and storage containers for spent fuels using various burnup credits.
また、燃焼度およびボイド率依存核定数を対角線輸送近似を用いて輸送断面積への変換を行うことにより、精度良いモンテカルロ計算用輸送断面積を作成することができる。さらに、いくつかの臨界実験装置によるいくつかの試験結果を解析した際に得られる未臨界度、または、いくつかの原子力発電所の冷温臨界試験によるいくつかの試験結果を解析した際に得られる未臨界度から評価した補正値により、使用済燃料の輸送および貯蔵機器の未臨界度の精度を向上させることができる。 Also, by converting the burnup and void fraction dependent nuclear constants into a transport cross section using diagonal transport approximation, a transport cross section for Monte Carlo calculation with high accuracy can be created. Furthermore, it can be obtained when subcriticality obtained when analyzing some test results from some critical experimental equipment, or when analyzing some test results from cold criticality tests of some nuclear power plants. With the correction value evaluated from the subcriticality, the accuracy of the subcriticality of the spent fuel transportation and storage equipment can be improved.
さらに、前記衝突確率法に基づく燃料設計コードで計算された燃料集合体の燃焼度およびボイド率依存核定数を求める際に、燃焼度およびボイド率については適当な間隔について算出し、炉心プロセスコンピュータまたは炉心シミュレーションコードから得られた燃料集合体の燃焼度と平均ボイド率に対応する上記核定数については、上記の適当な間隔で算出された燃焼度およびボイド率依存核定数を内挿または外挿することによって求めることにより計算時間を短縮することができる。 Further, when determining the burnup and void ratio dependent nuclear constant of the fuel assembly calculated by the fuel design code based on the collision probability method, the burnup and void ratio are calculated at appropriate intervals, and the core process computer or For the nuclear constant corresponding to the burnup and average void fraction of the fuel assembly obtained from the core simulation code, the burnup and void fraction dependent nuclear constant calculated at the appropriate intervals are interpolated or extrapolated. Thus, the calculation time can be shortened.
また、前記炉心プロセスコンピュータまたは炉心シミュレーションコードから得られた燃料集合体の平均ボイド率を燃料タイプ毎に分別し、さらに分別された燃料タイプについて炉心最外周とその他に分別し、各分別された燃料群に対しては、該燃料群の平均ボイド率を採用することによりボイド率依存核定数計算の計算数を短縮することすることができる。 Further, the average void fraction of the fuel assembly obtained from the core process computer or the core simulation code is classified for each fuel type, and the classified fuel type is further classified into the outermost periphery of the core and others, and the separated fuel For a group, the number of calculation of the void rate dependent nuclear constant can be shortened by adopting the average void rate of the fuel group.
さらに、前記炉心プロセスコンピュータまたは炉心シミュレーションコードとして多群近代ノード法に基づく核熱結合計算法を用いることにより計算精度を向上させることができる。 Furthermore, the calculation accuracy can be improved by using a nuclear thermal coupling calculation method based on the multi-group modern node method as the core process computer or the core simulation code.
また、中性子に感度をもつ物質とシンチレータおよび光ファイバの使用により、小型もしくは板状の中性子検出器を構成でき、狭い空間においても効率良く測定を行うことができる。さらに、前記衝突確率法に基づく燃料設計コードで計算された燃料集合体の燃焼度およびボイド率依存核定数を求める際に、いくつかの核分裂生成物による中性子吸収効果または、マイナーアクチニドによる中性子吸収効果、またはその両方を除外することにより、より安全裕度を高めた臨界安全設計を行うことができる。 Further, by using a substance sensitive to neutrons, a scintillator, and an optical fiber, a small or plate-like neutron detector can be configured, and measurement can be performed efficiently even in a narrow space. Furthermore, when calculating the burnup and void fraction dependent nuclear constant of the fuel assembly calculated by the fuel design code based on the collision probability method, the neutron absorption effect by some fission products or the neutron absorption effect by minor actinides By excluding or both of them, a critical safety design with a higher safety margin can be performed.
また、使用済燃料輸送および貯蔵機器の燃料集合体以外の構造材、水については輸送計算により算出した輸送断面積を用いることにより、中性子散乱の異方性に関する精度を向上させることができる。ここで輸送計算とは中性子の振る舞いを中性子の位置、中性子のエネルギー、中性子の方角をパラメーターとして解くものである。 Further, for the structural material other than the fuel assembly of the spent fuel transportation and storage equipment, and water, the accuracy regarding the anisotropy of neutron scattering can be improved by using the transportation cross section calculated by the transportation calculation. Here, transport calculation solves neutron behavior using neutron position, neutron energy, and neutron direction as parameters.
上記計算は、通常、多くの計算時間、計算機上のメモリを必要とする。原子炉炉心の設計では、計算効率を向上させるために、中性子はあらゆる方向に均質に散乱するという等方散乱を仮定し、中性子の方角に関する情報は無視して計算を行う。この近似は拡散近似と呼ばれるもので、この計算を輸送計算に対して、拡散計算と呼ぶ。この拡散計算は、上記等方散乱が成り立たないところでは、誤差が大きくなる。等方散乱からのずれを中性子散乱の異方性と呼び、物質が変化する境界で、異方性は大きくなる。本特許で対象とする使用済燃料輸送および貯蔵機器では、燃料と構造材の境界や水と空気の境界などで異方性が高くなる。本特許では、燃料集合体部の輸送断面積は拡散計算用に用意された定数を対角線輸送近似により作成しており、中性子の方角に関する情報に関しては誤差が大きくなる要因を含んでいる。燃料集合体部の輸送断面積の作成は構造が複雑で、また、均質的な取扱いが困難であり、輸送計算で解くことは難しいため、本特許では燃料設計コードを利用し輸送断面積を作成している。これに対し、構造材部や水は中性子の振る舞いという観点からは均質に取り扱うことができ、公開プログラム、例えば、前述のSCALEシステム中の一次元輸送計算プログラムXSDRNコードなどを用いて、容易に解くことができる。そこで、中性子の異方性は大きくなるが、均質的な取扱いが可能な構造材や水については輸送計算により輸送断面積を作成し、中性子散乱の異方性に関する精度を向上させる。 The above calculation usually requires a lot of calculation time and memory on the computer. In the design of the reactor core, in order to improve calculation efficiency, it is assumed that neutrons are uniformly scattered in all directions, and calculation is performed while ignoring information on the direction of neutrons. This approximation is called diffusion approximation, and this calculation is called diffusion calculation for transport calculation. This diffusion calculation has a large error where the isotropic scattering does not hold. The deviation from isotropic scattering is called neutron scattering anisotropy, and the anisotropy increases at boundaries where matter changes. In the spent fuel transportation and storage equipment, which is the subject of this patent, anisotropy increases at the boundary between the fuel and the structural material, the boundary between water and air, and the like. In this patent, the transport cross-sectional area of the fuel assembly part is created by a diagonal transport approximation of a constant prepared for diffusion calculation, and includes a factor that causes an error in the information related to the neutron direction. Since the construction of the transport cross section of the fuel assembly is complicated, it is difficult to handle homogeneously, and it is difficult to solve it by transport calculations. In this patent, the transport cross section is created using the fuel design code. doing. On the other hand, the structural material part and water can be handled homogeneously from the viewpoint of neutron behavior, and can be easily solved using a public program such as the one-dimensional transport calculation program XSDRN code in the SCALE system described above. be able to. Therefore, although the anisotropy of neutrons increases, for structural materials and water that can be handled homogeneously, a transport cross section is created by transport calculation to improve the accuracy of neutron scattering anisotropy.
さらに、新燃料仮定やガドリクレジットを用いた設計においても、合理的な臨界安全設計を行うことができ、保守的な照射履歴を設定することにより、より安全裕度を高めた臨界安全設計を行うことができる。 Furthermore, even in the design using new fuel assumptions and Gadori Credit, rational critical safety design can be performed, and by setting a conservative irradiation history, critical safety design with a higher safety margin can be achieved. It can be carried out.
1 第1の入力ファイル
2 衝突確率法による燃料設計コード
3 第1の出力ファイル
4 第2の入力ファイル
5 炉心プロセスコンピュータまたは炉心シミュレーションコード
6 第2の出力ファイル
7 対角線輸送近似法による断面積変換コード
8 第3の出力ファイル
9 使用済燃料集合体の輸送断面積TR等を算出するコード
10 第4の出力ファイル
11 第3の入力ファイル
12 第4の入力ファイル
13 1次元体系で輸送断面積、吸収断面積、散乱断面積を計算するコード
14 第5の出力ファイル
15 モンテカルロ法による使用済燃料輸送キャスクの未臨界度を計算するコード
16 第6の出力ファイル
17 第5の入力ファイル
18 計算された未臨界度を補正するコード
19 第7の出力ファイル
20 特定の核分裂生成物、アクチニドの断面積を0にするコード
21 第8の出力ファイル
23 第9の出力ファイル
24 第10の出力ファイル
25 第11の出力ファイル
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