JP5150083B2 - バスケットとその設計方法および製造方法並びにバスケット設計プログラム - Google Patents

Description

本発明は、燃料集合体を収容する複数の角筒状のセルを備えた燃料容器のバスケットとその設計方法および製造方法並びにバスケット設計プログラムに関する。

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、原子力発電プラントの使用済燃料貯蔵ラックに装荷される。このように原子炉から取り出されて、その後原子炉に装荷されない燃料集合体は、使用済燃料集合体と呼ばれる。

使用済燃料集合体は、使用済燃料貯蔵ラックにおいて一定期間冷却された後、輸送容器に収納されて再処理工場へ運ばれて再処理される。輸送容器は、輸送キャスクと呼ばれることもある。

また、使用済燃料集合体は、中間貯蔵用の輸送・貯蔵兼用容器に収納されて中間貯蔵施設へ運ばれ、そのまま長期間冷却される場合もある。輸送・貯蔵兼用容器は、兼用キャスクと呼ばれることもある。兼用キャスクに収容された使用済燃料集合体は、長期間冷却の後に、再処理工場へ運ばれて再処理されるか、あるいは最終処分される場合もある。

輸送キャスクや兼用キャスクは高価であるため、それぞれのキャスクに多数の使用済燃料を収納できるようにして、必要なキャスクの個数を低減することが望ましい。また、キャスク当りの使用済燃料の収納体数が少ない場合には、必要なキャスク個数が増えるため、輸送回数が多くなる。このため、事故の可能性が高くなる。さらに、キャスクの取扱い回数が増えるため、放射線被曝量が多くなる可能性がある。

輸送キャスクや兼用キャスクなどの燃料容器では、原子炉から取り出してからの冷却期間が短いうちは、除熱や放射線遮蔽問題が特に重要である。しかし、冷却期間が長くなると、むしろ臨界安全性、すなわち決して臨界にならないことを保証する性能が重要になることが知られている。

燃料容器は、たとえば円筒状の本体内にバスケットが設けられている。燃料集合体を原子炉から取り出してから再処理するまでの期間が長い場合には、十分な臨界安全性を確保しながら、限られた空間内により多くの使用済燃料を収納できる燃料容器が望ましい。そこで、燃料容器のバスケットの構造材に中性子吸収能力に優れたボロン（Ｂ）を添加して中性子吸収率を大きくし、臨界安全性を確保している燃料容器が使用されている。このような構造材としては、たとえばステンレス鋼（ＳＵＳ）やアルミニウム合金（Ａｌ）にボロン（Ｂ）を添加した、構造強度も良好な材料（Ｂ−ＳＵＳ材およびＢ−Ａｌ材）が使用される。

Ｂ−ＳＵＳ材では、Ｂ添加率が0.5〜0.7％程度までは、Ｂを含まないＳＵＳとの機械的性質および加工性の著しい差異はない。しかし、燃料集合体の高燃焼度化に伴う初期濃縮度の高まりなどにより、使用済み燃料の反応度が高くなると、Ｂの添加率も高くする必要がある。たとえば１％程度のボロン添加量が要求される場合もある。

典型的な燃料容器のバスケットとして、角筒体を、スペーサに通して格子配列を構成するものがある。このスペーサは、板に格子状配列で挿通孔をくり貫いたものであり、角筒体の長手方向に間隔をおいて配置される。また、特許文献１には、角筒状のセルを格子状に配列したバスケットが開示されている。

しかし、ボロン添加率を高めると、Ｂ−ＳＵＳ材は硬くて脆くなり、衝撃的な力に対する強度が不足するようになるとともに、加工も困難になる。また、中性子吸収断面積が大きいボロン１０（^１０Ｂ）を濃縮した濃縮ボロンを用いると、このような問題は大幅に緩和されるものの、非常に高価になる。

そこで、安価で機械的強度が十分確保でき、しかも十分な臨界安全性を確保しながら前述のように限られた空間内により多くの使用済燃料を収納できる燃料集合体収納装置が要望されている。特許文献２および特許文献３には、臨界安全性を確保しながら、限られた空間内により多くの使用済燃料を収納できる燃料容器の例が開示されている。
特開２００１−２８１３９２号公報 特開２００１−３１１７９４号公報 特開２００２−４０１９２号公報 Tsukasa Kikuchi、他、"Application of Gadolinea Credit to Cask Transport of BWR-STEP3 SFAs"、Proceedings of the Seventh International Conference on Nuclear Criticality Safety(ICNC2003)、 Tokai Mura、Japan、２００３年１０月、II、pp. 711-716 Yoshihira Ando、他、"BURNUP CREDIT APPLICATION TO TRANSPORTATION AND STORAGE OF SPENT BWR FUEL ASSEMBLES(1) -AXIAL ZONING MODEL-"、ICNC '99、Versailles(France)、１９９９年 Akihiro Terada、他、"BURNUP CREDIT APPLICATION TO TRANSPORTATION AND STORAGE OF SPENT BWR FUEL ASSEMBLES(2) -METHODS AND RESULTS OF CALCULATION-"、ICNC '99、Versailles(France)、１９９９年 "Topical Report on Actinide-Only Burnup Credit for PWR Spent Nuclear Fuel Packages"、DOE/RW-0472 Rev.2、１９９８年９月 ORNL-RSIC、"SCALE 4: A Modular Code System for Performing Standardized Computer Analysis for Licensing Evaluation"、CCC-545、１９９０年

燃料集合体が原子炉において燃焼すると反応度が低下する。また、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の全燃料集合体、および、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の燃料集合体の半数程度には、ガドリニアやエルビアなどの可燃性中性子毒物が含有されている。可燃性中性子毒物の含有によっても、反応度は低下する。しかし、このような反応度の低下は、燃料容器に使用済燃料を収納した体系の臨界安全性の評価に考慮されていない（非特許文献１参照）。

そこで本発明は、未臨界性を確保しつつ、経済性が高い燃料容器のバスケットを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納する複数の角筒状のセルを備えた、燃料容器の内部に収められるバスケットの設計方法において、前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルを求める工程と、前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルを求める工程と、前記セルを囲む４枚のセル壁の材料を、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかとするセル壁材配置を設定する初期材料配置設定工程と、前記第１のモデルバンドルが前記セルに収容されたとして前記セル壁材配置に基づいて計算される前記燃料容器の通常時の実効増倍率、および、前記第２のモデルバンドルが前記セルに収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の前記セル壁材配置に基づいた解析条件で計算される前記燃料容器の落下事故時の実効増倍率のいずれもが所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であるという制限の下、前記セル壁材に含まれる前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がなくなるまで、外周に位置するセル壁材を順次、鏡面対称による変更規則、軸対称による変更規則、または、隣接する４つの燃料集合体のうち２つの燃料集合体との間は第２のバスケット材を挟む変更規則のうち少なくともいずれか一つの変更規則に基づいて、前記セル壁材配置の少なくとも一部を変更して新しいセル壁材配置とすることを繰り返すセル壁材配置変更工程と、前記セル壁材配置変更工程で実効増倍率を計算した前記セル壁材配置のうち、前記通常時および前記落下事故時の実効増倍率がいずれも前記臨界制限値未満で、かつ、前記第２のバスケット材を用いる前記セル壁をさらに減少させる変更がなくなり最も少ない前記セル壁であると判断される前記セル壁材配置を最終セル壁材配置とする工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納する複数の角筒状のセルを備えた、燃料容器の内部に収められるバスケットの製造方法において、前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルを求める工程と、前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルを求める工程と、前記セルを囲む４枚のセル壁の材料を、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかとするセル壁材配置を設定する初期材料配置設定工程と、前記第１のモデルバンドルが前記セルに収容されたとして前記セル壁材配置に基づいて計算される前記燃料容器の通常時の実効増倍率、および、前記第２のモデルバンドルが前記セルに収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の前記セル壁材配置に基づいた解析条件で計算される前記燃料容器の落下事故時の実効増倍率のいずれもが所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であるという制限の下、前記セル壁材に含まれる前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がなくなるまで、外周に位置するセル壁材を順次、鏡面対称による変更規則、軸対称による変更規則、または、隣接する４つの燃料集合体のうち２つの燃料集合体との間は第２のバスケット材を挟む変更規則のうち少なくともいずれか一つの変更規則に基づいて、前記セル壁材配置の少なくとも一部を変更して新しいセル壁材配置とすることを繰り返すセル壁材配置変更工程と、前記セル壁材配置変更工程で実効増倍率を計算した前記セル壁材配置のうち、前記通常時および前記落下事故時の実効増倍率がいずれも前記臨界制限値未満で、かつ、前記第２のバスケット材を用いる前記セル壁をさらに減少させる変更がなくなり最も少ないと判断される前記セル壁材配置を最終セル壁材配置とする工程と、前記セル壁の材料が前記最終セル壁材配置となるように前記第１および第２のバスケット材を配置するセル形成工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、燃料容器の内部に収められて未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納するバスケットにおいて、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかで形成された４枚のセル壁でそれぞれ囲まれて、それぞれに前記燃料集合体が収容される複数の角筒状のセルを有し、前記セル壁のそれぞれの材料は、前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルが前記セルにそれぞれ収容されたとして計算される通常時の実効増倍率、および、前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルが前記セルにそれぞれ収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の解析条件で計算される落下事故時の実効増倍率、のいずれの実効増倍率も所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であり、かつ、前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がないように決定されている、ことを特徴とする。

また、本発明は、未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納する複数の角筒状のセルを配列した、燃料容器の内部に収められるバスケットの設計を行うバスケット設計プログラムにおいて、コンピュータに、前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルを記憶させる機能と、前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルを記憶させる機能と、前記セルを囲む４枚のセル壁の材料を、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかとするセル壁材配置を記憶させる機能と、前記第１のモデルバンドルが前記セルに収容されたとして前記セル壁材配置に基づいて計算される前記燃料容器の通常時の実効増倍率、および、前記第２のモデルバンドルが前記セルに収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の前記セル壁材配置に基づいた解析条件で計算される前記燃料容器の落下事故時の実効増倍率のいずれもが所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であるという制限の下、前記セル壁材に含まれる前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がなくなるまで、外周に位置するセル壁材を順次、鏡面対称による変更規則、軸対称による変更規則、または、隣接する４つの燃料集合体のうち２つの燃料集合体との間は第２のバスケット材を挟む変更規則のうち少なくともいずれか一つの変更規則に基づいて、前記セル壁材配置の少なくとも一部を変更して新しいセル壁材配置とすることを繰り返させる機能と、実効増倍率を計算した前記セル壁材配置のうち、前記通常時および前記落下事故時の実効増倍率がいずれも前記臨界制限値未満で、かつ、前記第２のバスケット材を用いる前記セル壁をさらに減少させる変更がなくなり最も少ないと判断される前記セル壁材配置を最終セル壁材配置として出力する機能と、を実現させることを特徴とする。

本発明によれば、未臨界性を確保しつつ経済性が高い燃料容器のバスケットが提供できる。

本発明に係る燃料容器のバスケットの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、燃料容器のバスケットは、以下の説明および図面における上下左右の方向に限定されるものではない。

［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る第１の実施の形態のバスケットの上面図である。また、図３および図４は本実施の形態の第１の格子板２１の側面図であり、図５は本実施の形態の第２の格子板２２の一例を示す側面図である。

燃料容器のバスケット２０は、複数の角筒状のセル２３が格子状に配列されて形成されている。バスケット２０は、全体としてはほぼ円筒形状であり、燃料容器（図示せず）の内部に収められる。なお、本実施の形態のバスケットは、燃料集合体７を６９体収容できるものであるが、燃料容器の形状にあわせて適宜増減してもよい。また、燃料容器の内部に収められる形状であれば、どのような形状でもよい。

セル２３は、燃料集合体７よりも若干大きな角筒状の領域で、互いに直交する第１および第２の格子板２１，２２によって囲まれている。燃料集合体７は、各セル２３にそれぞれ１体ずつ収容される。各セル２３の軸方向の長さ、すなわち、バスケット２０の軸方向の長さは、燃料集合体７の軸方向の長さと同程度であり、貯蔵や輸送の際に、適切に燃料集合体７を保持できるようになっている。なお、図２において燃料集合体７は、１体しか記載していないが、全てのセル２３に燃料集合体７を収容できる。

バスケット２０の各セル２３は、第１の格子板２１および第２の格子板２２によって形成されている。第１の格子板２１は、燃料集合体７の幅よりも若干広い幅の板であり、燃料集合体７の幅よりも若干広い間隔で、互いに平行に配列されている。第２の格子板２２は、燃料集合体７の幅よりも若干広い間隔で、互いに平行に配列された板である。第１の格子板２１と第２の格子板２２は、互いに垂直に配列されている。

第１および第２の格子板２１，２２は、第１のバスケット材９１および第１のバスケット材に中性子吸収材を添加した第２のバスケット材９２によって形成されている。ここで、第１のバスケット材はたとえばステンレス鋼やアルミニウム合金である。中性子吸収材は、たとえばボロンなどである。

第１の格子板２１は、ほぼ長方形の板であり、その長辺の一方には、突起部２４を有している。また、突起部２４を有する辺の反対側の辺には、突起部２４と嵌合されるへこみ部２５が形成されている。第１の格子板２１には、第１のバスケット材９１で形成されたものと、第２のバスケット材９２で形成されたものの２種類がある。

第２の格子板２２は、ほぼ長方形の板である。第２の格子板２２には、突起部２４と嵌合されるスリット２６が形成されている。スリット２６は、燃料集合体７の幅よりも若干広い横幅間隔で配列されている。また、スリット２６は、第１の格子板２１の突起部２４と同じ間隔で縦方向に配列されている。第２の格子板２２は、セル２３の幅に対応した領域ごとに第１のバスケット材９１および第２のバスケット材９２を組み合わせて形成されている。

図５は、バスケット２０の外周から２つのセル２３に対応する領域が第１のバスケット材９１で、その間が第２のバスケット材９２で形成された第２の格子板の例である。第１のバスケット材９１の部分と第２のバスケット材９２の部分は、たとえば別々に成型された後に溶接などにより結合される。

第１の格子板２１と第２の格子板２２は、スリット２６に突起部２４を差し込んで嵌合され、溶接などによって互いに固定されてバスケット２０を形成する。バスケット２０は、たとえば燃料容器の底に取付けられて保持される。

燃料容器は、バスケット２０のそれぞれのセルに所定の制限燃焼度以上の燃焼度の燃料集合体７を保持して、輸送や中間貯蔵に用いられる。

図６ないし図２３は、本実施の形態におけるセル壁材配置の例を模式的に示す上面図である。

第１および第２の格子板２１，２２は、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材によって形成されている。ここで、第１のバスケット材９１はたとえばステンレス鋼やアルミニウム合金である。第２のバスケット材は、たとえば第１のバスケット材にボロンやガドリニウムなどの希土類の中性子吸収物質を添加したものである。

図６ないし図２３においては、第１のバスケット材９１を用いる部分を破線で、第２のバスケット材９２を用いる部分を実線で示している。

なお、第１のバスケット材９１は、中性子吸収材を全く含有しないものである必要はなく、中性子吸収性能、すなわち、巨視的な中性子吸収断面積が第２のバスケット材９２よりも小さく、第２のバスケット材９２よりも安価に製造できるものであればよい。

次に、このようなバスケット２０を、臨界安全性を確保するという条件下で設計する方法を説明する。

燃料集合体を収容した燃料容器の臨界安全性は、通常時および落下事故時の実効増倍率を求めてを評価する。通常時の実効増倍率は、可燃性毒物の反応度効果を考慮し、収納する燃料種類の全燃焼期間にわたる最大反応度を持つ燃料集合体を想定して求める。

また、輸送キャスクや輸送貯蔵兼用キャスクでの使用済燃料輸送では通常輸送時（通常時）の他、燃料容器の９ｍ落下事故（落下事故時）を考慮する必要がある。燃料容器には制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体のみを収納することから、落下事故時の実効増倍率は、制限燃焼度の燃料組成を基に評価する。落下事故時には、燃料集合体の燃料棒間の間隔（燃料棒ピッチ）が収納されているバスケット内で拡大すると仮定し、臨界安全性の評価を行う。

通常、ＢＷＲおよびＰＷＲ燃料集合体は、保有する原子燃料に対して、減速材である水の量が少なく、中性子の減速不足の状態にある。しかし、落下事故時を想定した燃料棒ピッチの拡大により、中性子の減速が促進され、反応度が増加する。燃料容器の未臨界性はこの場合でも担保される必要がある。

燃料容器には、セル２３には収まるが形状が異なる燃料集合体７が収容される可能性がある。また、形状が同じでも濃縮度や可燃性毒物の濃度が異なる燃料集合体７が収容される可能性もある。そこで、そのようなそれぞれの燃料集合体７が収容されても臨界安全性が確保されるように、バスケット２０は設計される。

図１は、本実施の形態の燃料容器のバスケットの設計方法を示す流れ図である。

バスケット２０の設計方法には、未臨界性評価に用いるモデルバンドルを作成する臨界評価準備工程（工程Ｓ１）が含まれる。

この臨界評価準備工程（工程Ｓ１）では、燃料容器に収容する対象であるそれぞれの燃料集合体について、それぞれの燃料設計や燃焼履歴を考慮しても、臨界安全評価上保守的となる燃料条件および燃焼履歴条件を考慮してモデルバンドルを作成する。

通常時の実効増倍率を評価するための第１のモデルバンドルは、それぞれの燃料集合体の全燃焼期間にわたる最大反応度を持つ燃料集合体とする。この最大反応度は、可燃性毒物による反応度の低減効果を考慮して決定する。なお、第１のモデルバンドルは、この最大反応度を持つ未照射の燃料集合体でもよい。

落下事故時の実効増倍率を評価するための第２のモデルバンドルは、燃料棒ピッチが通常の場合および燃料棒ピッチが落下事故によって拡大した場合の両方で、収納する全ての種類の燃料集合体の制限燃焼度における反応度の最大値よりも大きな反応度を与える燃料集合体とする。この反応度の最大値を求める際には、それぞれの燃料設計や燃焼履歴を考慮しても、臨界安全評価上保守的となる燃料集合体設計および燃焼履歴条件を用いる。この燃料集合体設計および燃焼履歴条件に基づいて、モデルバンドルを作成し、制限燃焼度まで燃焼させたものが第２のモデルバンドルである。なお、第２のモデルバンドルの作成において、可燃性毒物による反応度低下の効果を考慮してもよい。

第１および第２のモデルバンドルの作成の際には、計算コードの誤差も考慮する。

図２４は、可燃性毒物を含有する燃料集合体の反応度の燃焼に伴う変化の例を示すグラフである。

可燃性毒物は燃焼に伴って減少するため、燃料集合体の反応度は燃焼に伴って一旦大きくなる。その後、反応度は、可燃性毒物がなくなることにより反応度は最大値８１をとった後に、核分裂性物質の減少によって小さくなっていく。第１のモデルバンドルは、この反応度の最大値Ｒ０よりも大きな反応度を持つ未照射の燃料集合体である。第２のモデルバンドルは、制限燃焼度Ｂ１における反応度Ｒ１よりも大きな反応度を持つ燃料集合体である。

なお、図２４には、１種類の燃料集合体の反応度のみを示しているが、複数種類の燃料集合体を燃料容器に収める場合には、それらの全ての反応度を考慮して第１および第２のモデルバンドルを設定する。また、燃料集合体の軸方向に燃料組成が異なる場合には、それぞれの断面ごとの反応度を考慮して第１および第２のモデルバンドルを設定する。

燃料集合体の燃焼による反応度低下の考慮の方法は、ＢＷＲ用の燃料集合体に関しては、たとえば非特許文献２および非特許文献３に記載されている方法を用いることができる。ＰＷＲ用の燃料集合体に関しては、非特許文献４に記載されている方法を用いることができる。

また、バスケットの設計方法には、バスケット２０のセルを形成するセル壁が、第１のバスケット材９１あるいは第２のバスケット材９２のいずれかとするセル壁材配置の初期状態を設定する初期材料配置設定工程（工程Ｓ２）が含まれる。なお、工程Ｓ２は、工程Ｓ１よりも後に行ってもよい。

本実施の形態では、セル壁材配置の初期状態として、図６に示すように、全てのセル壁材は、たとえばボロンなどの中性子吸収材が含有された中性子吸収断面積が大きい第２のバスケット材９２であるとする。

工程Ｓ１および工程Ｓ２を行った後に、未臨界性が確保できるまで、第２のバスケット材９２より中性子吸収断面積が小さい第１のバスケット材９１を増加させながら、材料配置を変更していく。未臨界性を判断するために、通常時の実効増倍率を計算し（工程Ｓ３）、また、落下事故時の実効増倍率を計算する（工程Ｓ４）。

工程Ｓ３においては、バスケット２０の全てのセル２３に第１のモデルバンドルが収容された状態について通常時の実効増倍率（ｋ１）を計算する。また、工程Ｓ４においては、バスケット２０の全てのセル２３に第２のモデルバンドルが収容された状態について、実効増倍率を計算する。工程Ｓ４においては、落下事故を想定して、第２のモデルバンドルを構成する燃料棒の間隔（燃料棒ピッチ）が拡大した状態での落下事故時の実効増倍率（ｋ２）を求める。なお、通常時および落下事故時のいずれにおいても、燃料集合体の周囲には水が存在するとして計算する。

なお、工程Ｓ３において、通常時の実効増倍率もモデルバンドルの燃料棒ピッチが拡大した状態について求めてもよい。

バスケット２０に燃焼後のモデルバンドルを収納した燃料容器の未臨界性は、たとえば非特許文献５に記載されている臨界解析コードと、核定数ライブラリーを用いて評価する。

次に、未臨界性が確保されるという条件の下、第２のセル壁材を少なくする余地があるか否かを判定する（工程Ｓ５）。

ここでは、まず工程Ｓ３および工程Ｓ４において求めた実効増倍率と臨界制限値とを比較する。つまり、臨界解析コードと核定数ライブラリを用いて評価された通常時と落下事故時の実効増倍率ｋ１，ｋ２が、いずれも臨界制限値を下回る場合に未臨界性が確保されていると判断する。臨界制限値は、たとえば０．９５とする。

つぎに、それまでに未臨界性が確保されている第１のセル壁材配置と、未臨界性が確保されていない第２のセル壁材配置について実効増倍率を求めているか否かを調べる。第１および第２のセル壁材配置のいずれか一方のセル壁材配置についてのみ、実効増倍率を計算している場合には、未臨界性が確保されるという条件の下、第２のセル壁材を少なくする余地がある。

また、第１および第２のセル壁材配置のいずれについても、実効増倍率を既に計算している場合には、第１のセル壁材配置と第２のセル壁材配置における第２のバスケット材９２を用いるセル壁の数（０以上の整数）の間に整数が存在する場合に、未臨界性が確保されるという条件の下、第２のセル壁材を少なくする余地がある。

未臨界性が確保されるという条件の下、第２のセル壁材を少なくする余地がある場合には、セル壁材配置で第１のバスケット材９１を用いるとされているセル壁のうちの少なくとも１つを第２のバスケット材９２を用いることに変更し（工程Ｓ６）、工程Ｓ３および工程Ｓ４に戻って実効増倍率を再度計算する。

また、未臨界性が確保されるという条件の下、第２のセル壁材を少なくする余地がない場合には、それまでに実効増倍率を求めたセル壁材配置のうち、未臨界性が確保されていて、第２のバスケット材９２がもっとも少ない配置を最終的なセル壁材配置とし（工程Ｓ７）、設計は終了である。

たとえば、外周に位置するセル壁材を順次鏡面対称で第１のバスケット材９１に変更して、セル壁材配置を図７、図８、図９、・・・と変更しながら、第１のバスケット材９１を用いるセル壁を多くしていく。このようにして、通常時および落下事故時の実効増倍率のいずれもが臨界制限値よりも小さく、かつ、第２のバスケット材９２を用いるセル壁を少なくできなくなるまでセル壁材配置を変更することにより、最終的なセル壁材配置を得る。

また、中央に近いセル壁材から、第２のバスケット材９２を第１のバスケット材９１に変更しながら、第１のバスケット材９１を用いるセル壁を多くしていき、最終的なセル壁材配置を求めてもよい。

このように、第１のバスケット材９１を用いるセル壁を多くしていきながら、最終的なセル壁材配置を求める場合には、工程Ｓ５で通常時および落下事故時の実効増倍率のいずれかが臨界制限値よりも小さくなった時点で、第２のバスケット材９２を用いるセル壁を少なくできなくなっている。すなわち、その時点でのセル壁材配置が、最終的なセル壁材配置となる。

工程Ｓ２で設定するセル壁材配置の初期状態を全てのセル壁材が第１のバスケット材９１であるとし、セル壁材配置を図２３、図２２、図２１、・・・と第１のバスケット材９１を第２のバスケット材９２に中心部から順次鏡面対称で変更しながら、第１のバスケット材９１を用いるセル壁を少なくしていき、最終的なセル壁材配置を求めてもよい。

このように、第１のバスケット材９１を用いるセル壁を少なくしていきながら、最終的なセル壁材配置を求める場合には、工程Ｓ５で通常時および落下事故時の実効増倍率のいずれかが臨界制限値よりも大きくなった時点で、第２のバスケット材９２を用いるセル壁を少なくできなくなっている。すなわち、通常時および落下事故時の実効増倍率のいずれかが臨界制限値よりも大きくなったセル壁材配置に工程Ｓ６で変更する前の配置が、最終的なセル壁材配置となる。

また、工程Ｓ１ないし工程Ｓ６を含むバスケット２０の設計は、コンピュータに実行させることもできる。

工程Ｓ１では、コンピュータに未臨界性評価用のモデルバンドルを作成させる。この場合、燃料容器に収容する燃料集合体の設計および燃焼履歴を入力して、コンピュータにモデルバンドルを作成させてもよいし、別途設計者が作成したモデルバンドルをコンピュータに入力してもよい。

工程Ｓ２では、コンピュータにセル壁材配置の初期状態を設定させる。たとえば全てのセル壁材を第１のバスケット材９１あるいは第２のバスケット材９２とする単純な初期状態を設定させる。また、設計者が初期状態をコンピュータに入力してもよい。

セル壁材配置は有限なので、コンピュータは有限の時間で、未臨界性が確保されるという条件の下、第２のセル壁材を少なくする余地がなくなるまで工程Ｓ３ないし工程６を繰り返しセル壁材配置を変更しながら実効増倍率を計算して、最終的なセル壁材配置を求めることができる。

最終的に得られたセル壁材配置になるような第１および第２の格子板２１，２２を製造し、組み合わせることにより、バスケット２０を製造する。このバスケット２０を燃料容器に取り付けて、燃料容器を製造する。

このようにして、バスケット材の一部を中性子吸収材の含まれていない安価なステンレス鋼あるいはアルミニウム合金などの材料とすることにより、臨界安全性を確保しつつ、高価な中性子吸収材入りバスケット材の使用量を低減することができる。これにより燃料容器のバスケットの経済性が向上する。

［第２の実施の形態］
図２５ないし図３３は、本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の例を模式的に示す上面図である。

本実施の形態のバスケット２０の一部の第１の格子板２１は、その全体が第１のバスケット材９１あるいは第２のバスケット材９２のいずれかのみで軸対称で形成されている。このようなセル壁材配置の制限の下で、第１の実施の形態と同様の方法で図２５から図３３へ、または図３３から図２５へ順次計算し、最終的なセル壁材配置を求め、バスケット２０を製造する。

このような第１の格子板２１は、第１のバスケット材９１で形成されている部分と第２のバスケット材９２で形成されている部分とを溶接などによって接合する必要がないため、製造にかかるコストを低減することができる。よって、バスケット２０の経済性が向上する。

また、このようなセル壁材配置の制限の下でバスケット２０を設計すると、数多いセル壁材配置のうち、適切な配置を見つけ出すために要する時間が短くなる。

［第３の実施の形態］
図３４ないし図３７は、本発明に係る第３の実施の形態におけるセル壁材配置の例を模式的に示す上面図である。

本実施の形態のバスケット２０は、一部に、第２のバスケット材９２で外周を囲まれ、その内部は第１のバスケット材９１で仕切られた、正方形に配列される４つのセル２３を有しており、鏡面対称で形成されている。このような４つのセル２３に収められる燃料集合体７は、隣り合う４つの燃料集合体７のうち、２つの燃料集合体７で第２のバスケット材９２を挟んで向かい合うことになる。このため、通常時および落下事故時の実効増倍率を効果的に低減することができる。

このようなセル壁材配置の制限の下で、第１の実施の形態と同様の方法で図３４から図３７へ、または図３７から図３４へ順次計算して最終的なセル壁材配置を求め、バスケット２０を設計すると、数多いセル壁材配置のうち、適切な配置を見つけ出すために要する時間が短くなる。

［第４の実施の形態］
図３８は、本発明に係る第４の実施の形態の燃料容器のバスケットの一部の上面図である。

本実施の形態の燃料容器のバスケットでは、角筒体４１，４２および平板４３，４４によってセル２３が形成されている。角筒体４１，４２は、フラットバー１１を介して結合されていて、フラットバー１１の厚さを変えることによって、セル２３のピッチを変えることができるようになっている。

角筒体４１，４２には、第１のバスケット材によって形成された第１の角筒体４１と、第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材によって形成された第２の角筒体４２が含まれる。平板４３，４４には、第１のバスケット材によって形成された第１の平板４３と、第２のバスケット材によって形成された第２の平板４４が含まれる。

このような燃料容器のバスケットにおける角筒体４１，４２および平板４３，４４の配置は、第１の実施の形態と同様の方法で決定される。

たとえば、まず第２のバスケット材で形成された第２の角筒体４２および第２の平板４４で形成されたバスケットのセル壁材配置を初期材料配置とする。その後、第１のバスケット材で形成された第１の角筒体４１および第１の平板４３を用いる場所を多くしていきながら、通常時および落下事故時の実効増倍率のいずれもが臨界制限値よりも小さく、かつ、第２のバスケット材を用いる部分を少なくできなくなるまでセル壁材配置の変更を繰り返す。

このようにして、最終的なセル壁材配置を得て、そのセル壁材配置となるように、角筒体４１，４２および平板４３，４４を組み合わせて、燃料容器のバスケットを製造する。

［第５の実施の形態］
図３９は、本発明に係る第５の実施の形態の燃料容器のバスケットの組み立て方法を示す斜視図である。図４０は、本実施の形態の燃料容器のバスケットの側面図である。

本実施の形態の燃料容器のバスケット２０は、格子状に配列された角管体２と、角管体２の軸方向の複数の位置に配設されたスペーサ３を有している。角管体２は、スペーサ３の挿入孔３１に挿入されている。

図４１および図４２は、本実施の形態におけるバスケット２０のセル壁材配置の例を模式的に示す上面図である。

本実施の形態においても、バスケット２０のセル壁材配置は、第１の実施の形態と同様の方法で決定される。たとえば全ての角管体２を囲むセル壁が全て図中実線で示す第２のバスケット材９２である初期材料配置から、第２のバスケット材９２より中性子吸収断面積が小さい図中破線で示す第１のバスケット材９１に代えて第２のバスケット材９２を用いるとする部分を少なくしながら、最終的なセル壁材配置を求める。この燃料容器のバスケットの材料配置は、通常時および落下事故時の実効増倍率のいずれもが臨界制限値よりも小さく、かつ、第２のバスケット材９２を用いるセル壁を少なくできなくなったでものある。図４１および図４２に示すセル壁材配置は、このような方法で求めた例である。

なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

本発明に係る第１の実施の形態の燃料容器のバスケットの設計方法を示す流れ図である。 本発明に係る第１の実施の形態の燃料容器のバスケットの上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の第１の格子板の側面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の第１の格子板の側面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の第２の格子板の一例を示す側面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 可燃性毒物を含有する燃料集合体の反応度の燃焼に伴う変化の例を示すグラフである。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第３の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第３の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第３の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第３の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第４の実施の形態の燃料容器のバスケットの一部の上面図である。 本発明に係る第５の実施の形態の燃料容器のバスケットの組み立て方法を示す斜視図である。 本発明に係る第５の実施の形態の燃料容器のバスケットの側面図である。 本発明に係る第５の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。 本発明に係る第５の実施の形態におけるセル壁材配置の一例を模式的に示す上面図である。

符号の説明

２…角管体、３…スペーサ、１１…フラットバー、２０…バスケット、２１…第１の格子板、２２…第２の格子板、２３…セル、２４…突起部、２５…へこみ部、２６…スリット、３１…挿入孔、４１…第１の角管体、４２…第２の角管体、４３…第１の平板、４４…第２の平板、９１…第１のバスケット材、９２…第２のバスケット材

Claims (13)

1. 未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納する複数の角筒状のセルを備えた、燃料容器の内部に収められるバスケットの設計方法において、
   前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルを求める工程と、
   前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルを求める工程と、
   前記セルを囲む４枚のセル壁の材料を、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかとするセル壁材配置を設定する初期材料配置設定工程と、
   前記第１のモデルバンドルが前記セルに収容されたとして前記セル壁材配置に基づいて計算される前記燃料容器の通常時の実効増倍率、および、前記第２のモデルバンドルが前記セルに収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の前記セル壁材配置に基づいた解析条件で計算される前記燃料容器の落下事故時の実効増倍率のいずれもが所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であるという制限の下、前記セル壁材に含まれる前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がなくなるまで、外周に位置するセル壁材を順次、鏡面対称による変更規則、軸対称による変更規則、または、隣接する４つの燃料集合体のうち２つの燃料集合体との間は第２のバスケット材を挟む変更規則のうち少なくともいずれか一つの変更規則に基づいて、前記セル壁材配置の少なくとも一部を変更して新しいセル壁材配置とすることを繰り返すセル壁材配置変更工程と、
   前記セル壁材配置変更工程で実効増倍率を計算した前記セル壁材配置のうち、前記通常時および前記落下事故時の実効増倍率がいずれも前記臨界制限値未満で、かつ、前記第２のバスケット材を用いる前記セル壁をさらに減少させる変更がなくなり最も少ない前記セル壁であると判断される前記セル壁材配置を最終セル壁材配置とする工程と、
   を有することを特徴とするバスケットの設計方法。
   
2. 前記初期材料配置設定工程は、すべてのセル壁の材料を前記第２のバスケット材とするものであり、前記新しいセル壁材配置は、前記第２のバスケット材としている部分の一部を前記第１のバスケット材に変更したものであることを特徴とする請求項１に記載のバスケットの設計方法。
3. 前記初期材料配置工程は、すべてのセル壁の材料を前記第１のバスケット材とするものであり、前記新しいセル壁材配置は、前記第１のバスケット材としている部分の一部を前記第２のバスケット材に変更したものであることを特徴とする請求項１に記載のバスケットの設計方法。
4. 未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納する複数の角筒状のセルを備えた、燃料容器の内部に収められるバスケットの製造方法において、
   前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルを求める工程と、
   前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルを求める工程と、
   前記セルを囲む４枚のセル壁の材料を、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかとするセル壁材配置を設定する初期材料配置設定工程と、
   前記第１のモデルバンドルが前記セルに収容されたとして前記セル壁材配置に基づいて計算される前記燃料容器の通常時の実効増倍率、および、前記第２のモデルバンドルが前記セルに収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の前記セル壁材配置に基づいた解析条件で計算される前記燃料容器の落下事故時の実効増倍率のいずれもが所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であるという制限の下、前記セル壁材に含まれる前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がなくなるまで、外周に位置するセル壁材を順次、鏡面対称による変更規則、軸対称による変更規則、または、隣接する４つの燃料集合体のうち２つの燃料集合体との間は第２のバスケット材を挟む変更規則のうち少なくともいずれか一つの変更規則に基づいて、前記セル壁材配置の少なくとも一部を変更して新しいセル壁材配置とすることを繰り返すセル壁材配置変更工程と、
   前記セル壁材配置変更工程で実効増倍率を計算した前記セル壁材配置のうち、前記通常時および前記落下事故時の実効増倍率がいずれも前記臨界制限値未満で、かつ、前記第２のバスケット材を用いる前記セル壁をさらに減少させる変更がなくなり最も少ないと判断される前記セル壁材配置を最終セル壁材配置とする工程と、
   前記セル壁の材料が前記最終セル壁材配置となるように前記第１および第２のバスケット材を配置するセル形成工程と、
   を有することを特徴とするバスケットの製造方法。
   
5. 燃料容器の内部に収められて未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納するバスケットにおいて、
   第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかで形成された４枚のセル壁でそれぞれ囲まれて、それぞれに前記燃料集合体が収容される複数の角筒状のセルを有し、
   前記セル壁のそれぞれの材料は、前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルが前記セルにそれぞれ収容されたとして計算される通常時の実効増倍率、および、前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルが前記セルにそれぞれ収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の解析条件で計算される落下事故時の実効増倍率、のいずれの実効増倍率も所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であり、かつ、前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がないように決定されている、ことを特徴とするバスケット。
   
6. 前記セルは複数であって、互いに平行に配列された突起部を備えた第１の格子板と、前記突起部に嵌合されるスリットが形成され、互いに平行であって前記第１の格子板と互いに垂直に配列された第２の格子板とによって形成されるものであることを特徴とする請求項５に記載のバスケット。
7. 前記セルは複数であって、それぞれ独立した角筒によって形成されるものであることを特徴とする請求項５に記載のバスケット。
8. 前記第１のバスケット材は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載のバスケット。
9. 前記第１のバスケット材は、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載のバスケット。
10. 前記中性子吸収材は、ボロンであることを特徴とする請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載のバスケット。
11. 前記中性子吸収材は、希土類であることを特徴とする請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載のバスケット。
12. 前記中性子吸収材は、中性子吸収断面積が他の同位体に比べて大きい核種の存在割合が天然のものよりも大きいことを特徴とする請求項５ないし請求項１１のいずれか１項に記載のバスケット。
13. 未臨界性を確保するために必要な制限燃焼度を超える燃焼度の燃料集合体をそれぞれ収納する複数の角筒状のセルを配列した、燃料容器の内部に収められるバスケットの設計を行うバスケット設計プログラムにおいて、コンピュータに、
    前記燃料集合体の可燃性毒物による低下を解析条件として考慮した反応度の前記制限燃焼度未満の燃焼度における最大値に余裕をみた所定の反応度を与える第１のモデルバンドルを記憶させる機能と、
    前記燃料集合体の前記制限燃焼度における反応度よりも大きな反応度を与える第２のモデルバンドルを記憶させる機能と、
    前記セルを囲む４枚のセル壁の材料を、第１のバスケット材およびその第１のバスケット材よりも巨視的な中性子断面積が大きい第２のバスケット材のいずれかとするセル壁材配置を記憶させる機能と、
    前記第１のモデルバンドルが前記セルに収容されたとして前記セル壁材配置に基づいて計算される前記燃料容器の通常時の実効増倍率、および、前記第２のモデルバンドルが前記セルに収容され、その第２のモデルバンドルに含まれる燃料棒の間隔が落下によって拡大した場合の前記セル壁材配置に基づいた解析条件で計算される前記燃料容器の落下事故時の実効増倍率のいずれもが所定の臨界制限値よりも小さいため未臨界が確保されたと判断できる値であるという制限の下、前記セル壁材に含まれる前記第２のバスケット材の量を少なくできる余地がなくなるまで、外周に位置するセル壁材を順次、鏡面対称による変更規則、軸対称による変更規則、または、隣接する４つの燃料集合体のうち２つの燃料集合体との間は第２のバスケット材を挟む変更規則のうち少なくともいずれか一つの変更規則に基づいて、前記セル壁材配置の少なくとも一部を変更して新しいセル壁材配置とすることを繰り返させる機能と、
    実効増倍率を計算した前記セル壁材配置のうち、前記通常時および前記落下事故時の実効増倍率がいずれも前記臨界制限値未満で、かつ、前記第２のバスケット材を用いる前記セル壁をさらに減少させる変更がなくなり最も少ないと判断される前記セル壁材配置を最終セル壁材配置として出力する機能と、
    を実現させるためのバスケット設計プログラム。
    

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