JP2008039509A - 照射燃料の未臨界中性子増倍体系への装荷方法及び照射燃料の実効増倍率算出方法 - Google Patents

照射燃料の未臨界中性子増倍体系への装荷方法及び照射燃料の実効増倍率算出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】装荷ステップの装荷後に次装荷ステップ後の中性子実効増倍率を予測し、予測結果に基づいて装荷の可否を判断する方法を提案する。
【解決手段】多数の照射燃料を順次装荷する未臨界中性子増倍体系の実効増倍率算出方法において、未臨界中性子増倍体系の内部または外周部の所定位置の中性子計数率を測定し(S206)、照射燃料毎に軸方向に分布する群定数と中性子発生率と、照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより前記測定位置の中性子計数率を求め(S205)、前記中性子計数率の測定値と計算値との比が、照射燃料の各装荷ステップでほぼ一定となるように、必要に応じて前記照射燃料装荷体系の群定数を修正し(S208)、この群定数と次装荷ステップの中性子発生率と次装荷ステップの照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより次装荷ステップの実効増倍率を算出する(S214)。
【選択図】 図3

Description

本発明は、使用済の燃料集合体である照射燃料を輸送キャスク等に収納する際の照射燃料の未臨界中性子増倍体系への装荷方法及び照射燃料の実効増倍率算出方法に関する。
燃焼により反応度が低下した燃料集合体は、原子炉から取り出されて使用済燃料集合体として使用済燃料貯蔵ラックに装荷された後、輸送キャスクあるいは中間貯蔵用の輸送・貯蔵兼用キャスクに収納されて再処理工場や中間貯蔵施設に輸送される。
使用済燃料集合体は反応度が低下しているため、一般には多数集めて収納されたとしても臨界に達することはない。しかし、誤って反応度の低下が十分でない燃料集合体が装荷されると臨界事故に至る恐れがあるため、使用済燃料集合体のみを装荷対象とする貯蔵ラックやキャスクであっても、反応度の最も高い未燃焼の燃料集合体が装荷されることを想定して臨界安全設計が行われる。
現在の使用済燃料貯蔵ラックや輸送キャスクは、反応度を低下させるために中性子吸収体のボロンを混入したB−SUS材で製造される上、使用済燃料集合体間の間隔が十分に確保されるように設計されているため、過度の安全裕度が含まれている。
そこで、装荷される燃料集合体の未臨界度を測定して臨界安全性を確認しつつ使用済燃料を装荷することにより、高価なB−SUSの使用量が低減されるとともに、より多くの使用済燃料を装荷できるようになり、合理的、経済的な設計が可能となる。
特許文献1には、使用済燃料貯蔵ラックやキャスクに使用済燃料を1体づつ装荷する際の未臨界度を評価する方法として、正確な実効増倍率を予想することにより未臨界度を評価する方法が提案されている。
具体的には、未臨界体系の近傍に中性子検出器を設置して中性子計数率を測定するとともに、使用済燃料集合体の燃料タイプ、初期濃縮度、燃焼度等の情報を用いて中性子計数率及び中性子実効増倍率を計算で求め、この中性子計数率の測定値と計算値とを比較して中性子実効増倍率を修正することにより、正確な中性子実効増倍率を予想する方法である。
特許第2542883号公報
中性子計数率の計算値と測定値とを比較して中性子実効増倍数を算出する方法では、装荷ステップの装荷後に未臨界度の評価が行われるため、次装荷ステップにおける中性子実効増倍率を予測しそれに基づいて装荷の可否を決定することができず、その方法についても検討がなされていないという課題があった。
本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、装荷ステップの装荷後に次装荷ステップ後の中性子実効増倍率を予測し、予測結果に基づいて装荷の可否を判断する方法を提案することを目的とする。
本発明に係る照射燃料の実効増倍率算出方法は、多数の照射燃料を順次装荷する未臨界中性子増倍体系の実効増倍率算出方法において、未臨界中性子増倍体系の内部または外周部の所定位置の中性子計数率を測定し、照射燃料毎に軸方向に分布する群定数と中性子発生率と、照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより前記測定位置の中性子計数率を求め、前記中性子計数率の測定値と計算値との比が、照射燃料の各装荷ステップでほぼ一定となるように、必要に応じて前記照射燃料装荷体系の群定数を修正し、この群定数と中性子発生率と照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより実効増倍率を算出することを特徴とする。
また、本発明に係る照射燃料の未臨界中性子増倍体系への装荷方法は、算出された次装荷ステップの実効増倍率を用いて、次の装荷ステップにて照射燃料の装荷を行うか否かを判断することを特徴とする。
本発明に係る照射燃料の未臨界中性子増倍体系への装荷方法及び照射燃料の実効増倍率算出方法によると、装荷ステップの装荷後に次装荷ステップ後の中性子実効増倍率を予測し、予測結果に基づいて装荷の可否を判断することが可能になった。
本発明に係る照射燃料の未臨界中性子増倍体系への装荷方法及び照射燃料の実効増倍率算出方法の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。
〔第1実施形態〕
図1及び図2は、本発明に係る照射燃料の実効増倍率を算出する方法の手順を示す機能ブロック図及びフローチャートである。第1実施形態の実施例1では、燃料集合体の初期濃縮度や燃焼度、軸方向の相対分布等を用いて群定数、中性子の実効増倍率を算出する。
なお、燃料集合体の燃料特性として、燃料集合体の軸方向平均の燃焼度BU、初期濃縮度ε、冷却時間tcは、予め与えられている。また、軸方向位置指標i、装荷ステップ指標jとする。
始めに、軸方向燃焼度絶対値分布BUi,jを求める(S101)。jステップの集合体平均燃焼度BUと燃料集合体の軸方向の相対分布形とから、軸方向燃焼度全体地分布BUi,jを求めることができる。燃料集合体の軸方向の相対分布形は原子炉の炉型に依存するが、一般的に原子炉は理想的な分布形の実現を目指して設計及び運転がなされる。従って、相対分布形としてその理想的な分布形を用いる。
次に、燃料集合体毎の軸方向の中性子発生率分布Si,jを求める(S102)。中性子発生率分布Si,jは、初期濃縮度ε、冷却時間tcの相関関係と、S101で算出した集合体平均燃焼度BUi,jとを用いて計算される。
この際必要に応じて、中性子束φi,jを実際に測定してその測定値と比較することによって、S102で得られた燃料集合体毎の中性子発生率分布Si,jを修正する(S103)。すなわち、第1実施形態では相対分布形を理想的な形状と仮定して計算しているが、実際の形状は燃料集合体毎に固有の形状をとっているために、中性子発生率分布Si,jには多少の誤差が生じることが予想される。そこで、実際に中性子束を測定することによって、計算で得られた中性子発生率分布Si,jの値を中性子発生率分布の実際の値に近付けることができる。
次に、中性子計数率Ci,j(あるいは中性子束)を求めるために三次元中性子束モード計算を行う。3次元中性子束モード計算を行うためには、装荷体系の体系ジオメトリと群定数Σi,jとが必要である。
群定数Σi,jは、燃料集合体毎の軸方向燃焼度、濃縮度分布から決定される。群定数Σi,jは、予め燃料緒元を与えて標準的な核設計手法により、燃料集合体格子燃焼計算を行って集合体平均燃焼度BUi,j、核分裂性核種濃度等の関数として求められる。群定数Σi,jを装荷体系内の3次元的な位置へ配分するには、燃料集合体毎に軸方向分布として求めた集合体平均燃焼度BUi,jと初期濃縮度εとを用いて燃料集合体格子燃焼計算で求めた集合体平均燃焼度BUi,jと初期濃縮度εに対応する群定数Σi,jを求める(S104)。
S102またはS103で得られた中性子発生率分布Si,j、群定数Σi,j、及び体系ジオメトリを用いて三次元中性子束モード計算を行い、未臨界中性子増倍体系における中性子計数率の計算値CCi,jを求める(S105)。
一方で、多数の照射燃料を順次装荷しながら構成して行く未臨界中性子増倍体系の内部または外周部の所定位置における中性子計数率CMi,jを測定する(S106)。
中性子計数率の計算値CCi,j、測定値CMi,jの比の装荷ステップ間での比例性から判断して、必要に応じて群定数Σi,jを修正する(S107)。
すなわち、中性子計数率の計算値Cci,jと測定値CMi,jとの装荷ステップ間での比例性が不良であった場合(中性子計数率の計算値Cci,jと測定値CMi,jとの比が予め定めた範囲内でない場合等)(S107No)には、中性子計数率の計算値CCi,jと測定値CMi,jとの比が照射燃料の各装荷ステップでほぼ一定になるように、照射燃料装荷体系の群定数Σi,jを修正する(S108)。
そして最後に、中性子発生率分布Si,jと、群定数Σi,jと、照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて、三次元固有値モード計算により中性子輸送・拡散計算を行い、実効増倍率Kを計算する(S109)。
次に、実施例2として、燃料集合体の初期濃縮度や燃焼度、軸方向の相対分布等を用いて群定数、中性子の実効増倍率を算出し、この実効増倍率から未臨界度の評価を行った上で照射燃料を装荷するか否かを判断する方法について説明する。
図3及び図4は、本発明に係る照射燃料の次装荷ステップの実効増倍率を算出する方法の手順を示す機能ブロック図及びフローチャートである。
実施例2では、次装荷サイクルの照射燃料を装荷するために、実施例1と同様にして求めた群定数Σi,jに基づいて、(j+1)サイクルにおける実効増倍率Kj+1を算出する。
始めに、S101〜S108と同様の手順で、jステップの群定数Σi,jを計算し、必要に応じて群定数Σi,jを修正する(S201〜208)。
次に、j+1ステップにおける実効増倍率Kj+1を計算する。S101と同様に、集合体平均燃焼度BUj+1と相対分布形とから、軸方向燃焼度絶対値分布BUi,j+1を求める(S209)。また、集合体平均燃焼度BUi,j+1、初期濃縮度εj+1、冷却時間tcj+1から、軸方向中性子発生率分布Si,j+1を計算する(S210)。
そして、必要に応じて燃料集合体毎の軸方向中性子発生率分布Si,j+1を、中性子束φi,j+1を測定することにより修正する(S211)。集合体平均燃焼度BUi,j+1、核分裂性核種濃度等の関数から、集合体平均燃焼度BUi,j+1と初期濃縮度εj+1に対応する群定数Σi,j+1を求める(S212)。
S208においてjステップの群定数Σi,jを修正した場合はその修正された群定数Σi,jを、修正しなかった場合はS204で算出された群定数Σi,jを取得する(S213)。
そして最後に、中性子発生率分布Si,j+1と、S112で取得した群定数Σi,jと、照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて、三次元固有値モード計算により中性子輸送・拡散計算を行い、実効増倍率Kj+1を計算する(S214)。
このように、修正された群定数Σi,jを用いて装荷予定の(j+1)ステップの実効増倍率Kj+1を計算することにより、未臨界度を精度よく評価することが可能となる。
次装荷ステップである(j+1)ステップで装荷する照射燃料について計算された実効増倍率の推定値Kj+1を用いて、次装荷ステップの装荷の可否について判断できる。
すなわち、照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率測定法で用いている中性子輸送・拡散計算方法について、(1)JACSコードシステムの場合、(2)検証された他のコードシステムであり、算出された実効増倍率Kj+1がそれぞれのコードシステムで評価された推定臨界下限増倍率以下である場合、(3)十分に検証されたコードシステムの場合の(1)〜(3)の場合において、算出された実効増倍率Kj+1が0.95以下なら未臨界と判断できる(「臨界安全ハンドブック」(科学技術庁原子力安全局核燃料規制課編、1988年10月30日発行)参照)。したがって、実効増倍率Kj+1が0.95以下である場合に、次装荷ステップの照射燃料の装荷を行うことを決定できる。
なお、第1実施形態では、中性子計数率の計算値と中性子計数率の測定値との比がほぼ一定になるように群定数を補正したが、中性子計数率の代わりに中性子束の計算値と、計中性子計数率の測定値との比により群定数を補正しても良い。
すなわち、中性子計数率は中性子束に中性子検出効率をかけたものであって中性子計数率と中性子束とは比例関係にあるので、中性子計数率の計算値及び中性子計数率の測定値の比を一定に保つことと、中性子束の計算値及び中性子計数率の測定値を一定に保つこととは、同意である。
発電所の使用済燃料貯蔵ラックには、未照射の燃料の他、照射中であるが定期検査等で一時的に原子炉から取り出された燃料等の多数の燃料が収納されているため、照射燃料装荷未臨界体系に、次装荷ステップに装荷を予定していない燃料を誤って装荷してしまう恐れがある。
これを考慮して、様々な燃料種類に対して実効増倍率Kj+1を計算し、計算の際に燃料に可燃性中性子毒物が含有されている場合は無視してその最大反応度状態における条件で評価を行ってもよい。
また、誤装荷を考慮するに当り、装荷予定の燃料と同一の燃料種類で、その全燃焼期間で最大の反応度を与える燃焼度とし、その最大反応度状態における条件で評価を行ってもよい。
また、誤装荷を考慮するに当たり、装荷予定の燃料と同一の燃料種類で、未燃焼燃料と想定し、当該燃料に可燃性中性子毒物が含有されている場合にはそれを無視し、その最大反応度状態における条件で評価を行ってもよい。
さらに、誤装荷を考慮するに当たり、発電所の使用済燃料貯蔵ラックに存在する可能性がある全燃料種類を想定し、全燃料種類のうちで最大反応度状態における条件で評価を行ってもよい。
〔第2実施形態〕
第2実施形態では、多数の照射燃料を順次装荷しながら構成していく未臨界中性子増倍体系の実効増倍率を算出する際に、実効増倍率や中性子計数率を補正することにより、実効増倍率の算出の際の精度を高めた例を示す。
すなわち、未臨界中性子増倍体系の内部または外周部の所定位置の中性子計数率の測定値Cと、使用済燃料集合体の燃料タイプ、初期濃縮度、燃焼度などの情報を用いて算出した中性子計数率の計算値C及び中性子実効増倍率の計算値Kとを求め、この中性子計数率の計算値Cと中性子計数率の測定値Cとを用いて実効増倍率Kを補正することにより、実効増倍率Kの算出の際の精度を向上させる。
照射燃料から放出される中性子は、使用済燃料に残されている核分裂性物質に核分裂反応を誘起させるため、未臨界体系において発生する中性子は、自発核分裂中性子と誘起核分裂反応中性子とを合計したものになっている。
この全発生中性子数Sは1点炉式で以下のように表すことができる。
Figure 2008039509
また、中性子計数率Cは、
Figure 2008039509
よって、中性子計数率の計算値Ccは、
Figure 2008039509
中性子計数率の測定値Cは、
Figure 2008039509
(3)式、(4)式から中性子検出効率εを消去すると、
Figure 2008039509
ここで、各装荷ステップの実効増倍率の計算値K、中性子計数率の計算値C、中性子計数率の測定値Cを、装荷ステップを段階的に進めていく過程において補正をして、実効増倍率Kの算出の際の精度を向上させる。
jステップの実効増倍率の計算値KCjの補正後の値をKCj′、jステップの中性子計数率の計算値CCjの補正後の値をCCj′、jステップの中性子計数率の測定値CMjの補正後の値をCMj′とすると、
Figure 2008039509
Figure 2008039509
Figure 2008039509
ただし、
Figure 2008039509
Figure 2008039509
(5)式の実効増倍率Kの式にこれら補正した値を代入して、補正後の実効増倍率KMj‘を求めると、
Figure 2008039509
この(11)式により、実際に得られるであろうjステップの実効増倍率Kがより精度よく計算できる。
図5は、自発中性子増倍法において、照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率の補正を行った場合の実効増倍率KCj′、及び、補正を行わなかった場合の実効増倍率KCjと、実験により実際に得られた実効増倍率KMjを、各装荷ステップ毎に表した図である。
図2より、実効増倍率を計算する際に、補正を行った方が実際の実効増倍率に近付くことが明らかである。
この推測された次装荷ステップの実効増倍率により、次装荷ステップにおいて装荷を行うかを判断することができる。
すなわち、第1実施形態と同様に、(j+1)ステップの実効増倍率KCj+1が0.95以下である場合に未臨界と判断して、(j+1)ステップの装荷の可否が決定される。
なお、第2実施形態では、中性子計数率の計算値と中性子計数率の測定値と計算で求めた実効増倍率とを補正したが、中性子計数率の代わりに中性子束を用いて計算を行っても良い。
誤装荷を考慮して、様々な燃料種類に対して実効増倍率Kj+1を計算し、計算の際に燃料に可燃性中性子毒物が含有されている場合は無視してその最大反応度状態における条件で評価を行ってもよい。
また、誤装荷を考慮するに当たり、装荷予定の燃料と同一の燃料種類で、その全燃焼期間で最大の反応度を与える燃焼度とし、その最大反応度状態における条件で評価を行っても良い。
また、誤装荷を考慮するに当たり、装荷予定の燃料と同一の燃料種類で、未燃焼燃料と想定し、当該燃料に可燃性中性子毒物が含有されている場合にはそれを無視し、その最大反応度状態における条件で評価を行っても良い。
また、誤装荷を考慮するに当たり、発電所の使用済燃料貯蔵ラックに存在する可能性がある全燃料種類を想定し、全燃料種類のうちで最大反応度状態における条件で評価を行っても良い。
なお、第1実施形態及び第2実施形態の照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率測定方法及び照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法は、コンピュータで実行可能なプログラムとして作成されてもよい。
本発明に係る照射燃料の実効増倍率算出方法の第1実施形態における所定装荷ステップにおける算出方法(実施例1)を示す機能ブロック図。 本発明に係る照射燃料の実効増倍率算出方法の第1実施形態における所定装荷ステップにおける算出方法(実施例1)を示すフローチャート。 本発明に係る照射燃料の実効増倍率算出方法の第1実施形態における次装荷ステップの算出方法(実施例2)を示す機能ブロック図。 本発明に係る照射燃料の実効増倍率算出方法の第1実施形態における次装荷ステップの算出方法(実施例2)を示すフローチャート。 本発明に係る照射燃料の実効増倍率算出方法の第2実施形態における実効増倍率の具体例を表すグラフ。

Claims (11)

  1. 多数の照射燃料を順次装荷する未臨界中性子増倍体系の実効増倍率算出方法において、
    未臨界中性子増倍体系の内部または外周部の所定位置の中性子計数率を測定し、
    照射燃料毎に軸方向に分布する群定数と中性子発生率と、照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより前記測定位置の中性子計数率を求め、
    前記中性子計数率の測定値と計算値との比が、照射燃料の各装荷ステップでほぼ一定となるように、必要に応じて前記照射燃料装荷体系の群定数を修正し、
    この群定数と中性子発生率と照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより実効増倍率を算出する照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率算出方法。
  2. 多数の照射燃料を順次装荷する未臨界中性子増倍体系の実効増倍率算出方法において、
    未臨界中性子増倍体系の内部または外周部の所定位置の中性子計数率を測定し、
    照射燃料毎に軸方向に分布する群定数と中性子発生率と、照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより前記測定位置の中性子計数率を求め、
    前記中性子計数率の測定値と計算値との比が、照射燃料の各装荷ステップでほぼ一定となるように、必要に応じて前記照射燃料装荷体系の群定数を修正し、
    この群定数と次装荷ステップの中性子発生率と次装荷ステップの照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより次装荷ステップの実効増倍率を算出する照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率算出方法。
  3. 多数の照射燃料を順次装荷する未臨界中性子増倍体系の実効増倍率算出方法において、
    未臨界中性子増倍体系の内部または外周部の所定位置の中性子計数率を測定し、
    照射燃料毎に軸方向に分布する群定数と中性子発生率と、照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより前記測定位置の中性子束を求め、
    前記中性子計数率の測定値と中性子束の計算値との比が、照射燃料の各装荷ステップでほぼ一定となるように、必要に応じて前記照射燃料装荷体系の群定数を修正し、
    この群定数と次装荷ステップの中性子発生率と次装荷ステップの照射燃料装荷体系の形状寸法とを用いて中性子輸送・拡散計算を行うことにより次装荷ステップの実効増倍率を算出する照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率算出方法。
  4. 請求項1〜3のいずれか記載の照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率算出方法にて算出された実効増倍率を用いて、次装荷ステップにて照射燃料の装荷を行うか否かを判断する照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法。
  5. 算出された実効増倍率が0.95以下である場合に次装荷ステップの照射燃料の装荷を行うことを特徴とする請求項4記載の照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法。
  6. 装荷対象とする燃料種類の全燃焼期間にわたる最大反応度を持つ照射燃料と想定して実効増倍率を求めることを特徴とする請求項4記載の照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法。
  7. 装荷対象とする燃料種類の未燃焼燃料と想定して、この照射燃料に可燃性中性子毒物が含有されている場合にはそれを無視して実効増倍率を求めることを特徴とする請求項4記載の照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法。
  8. 装荷対象とする燃料種類を特定せず、存在する可能性のある全燃料種類に対し、燃料種類の全燃焼期間にわたる最大反応度を持つ照射燃料と想定して実効増倍率を求めることを特徴とする請求項4記載の照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法。
  9. 装荷対象とする燃料種類を特定せず、存在する可能性のある全燃料種類に対し、燃料種類の未燃焼燃料と想定し、照射燃料に可燃性中性子毒物が含有されている場合にはそれを無視して実効増倍率を求めることを特徴とする請求項4記載の照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法。
  10. 請求項1〜3のいずれか記載の照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率算出方法をコンピュータに行わせるための照射燃料装荷未臨界体系の実効増倍率算出プログラム。
  11. 請求項4記載の照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷方法をコンピュータに行わせるための照射燃料装荷未臨界体系への照射燃料の装荷プログラム。
JP2006212151A 2006-08-03 2006-08-03 照射燃料の未臨界中性子増倍体系への装荷方法及び照射燃料の実効増倍率算出方法 Expired - Fee Related JP4864588B2 (ja)

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