JP5422688B2

JP5422688B2 - 再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法

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Description

本発明は、再処理施設に係り、特に連続溶解槽の臨界安全管理を行い、臨界安全設計を行う再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法に関する。

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、使用済燃料集合体（以下、使用済燃料という。）として使用済燃料貯蔵ラックに装荷される。この使用済燃料貯蔵ラックに一時貯蔵された後に、使用済燃料は輸送キャスク又は中間貯蔵用の輸送・貯蔵兼用キャスクにより再処理工場又は中間貯蔵施設に輸送される。この中間貯蔵施設で一旦貯蔵された使用済燃料も中間貯蔵の期間が終了した時点で、再処理工場に輸送され、最終的には使用済燃料は全数再処理される。

わが国における上述の使用済燃料は、六ヶ所再処理工場に移送され再処理される。この六ヶ所再処理工場においては、ＰＷＲ（ＰｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄＷａｔｅｒＮｕｃｌｅａｒＲｅａｃｔｏｒ：加圧水型原子炉）用使用済燃料集合体（加圧水型使用済燃料集合体：ＰＷＲ使用済燃料集合体）とＢＷＲ（ＢｏｉｌｉｎｇＷａｔｅｒＮｕｃｌｅａｒＲｅａｃｔｏｒ：沸騰水型原子炉）用使用済燃料集合体（沸騰水型使用済燃料集合体：ＢＷＲ使用済燃料集合体）とが同一施設で再処理されている。

この加圧水型使用済燃料集合体、沸騰水型使用済燃料集合体からなる使用済燃料は、図示しないせん断機でせん断されてせん断片となり、連続溶解槽（以下、溶解槽という。）に移送されることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

この溶解槽について、図１２を用いて説明する。図１２は、溶解槽５０の概要構成を示す斜視図である。

本図に示すように、この溶解槽５０において、せん断片は、燃料せん断片入口５１より容器本体５２に導入され、燃料部分は溶解され、燃料溶解液が製造される。この製造された燃料溶解液は、溶解液出口５３から導出され、図示しない第１のよう素追出し槽に導入される。溶解残（ハル）となった被覆材等は、ハル排出口５４を介して排出され、図示しないハル洗浄槽に導出される。

この溶解槽５０において燃料溶解液が製造されることが、上記ＰＷＲ使用済燃料集合体及びＢＷＲ使用済燃料集合体において共通している。この溶解槽５０においては、使用済燃料中のウラン（Ｕ）及びプルトニウム（Ｐｕ）をせん断片及び燃料溶解液の形態で同時に保有し、この条件の下での臨界安全設計及び臨界安全管理が必要である。この臨界安全設計及び臨界安全管理はＰＷＲ使用済燃料集合体の条件に合せて行われ、ＢＷＲ使用済燃料集合体においても共通に使用されることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

この臨界安全設計及び臨界安全管理について、図１３を用いて説明する。図１３は、溶解時に未臨界を担保するためガドリニウム（Ｇｄ）を溶解槽５０に注入する集合体平均初期濃縮度対集合体上端部５０ｃｍ平均燃焼度の領域判定を示す説明図で、（ａ）はそのＰＷＲ使用済燃料集合体の場合のガドリニウム注入領域判定図、（ｂ）はそのＢＷＲ使用済燃料集合体の場合のガドリニウム注入領域判定図である。

本図に示すように、溶解時に未臨界を担保するためガドリニウムが溶解槽５０に注入されている。このガドリニウムは、中性子吸収材として注入され、溶解時に未臨界性を維持する働きをしている。

ここで、このガドリニウムを溶解槽５０に注入する判定は、使用済燃料の集合体平均初期濃縮度対集合体上端部５０ｃｍ平均燃焼度の領域判定図に基づいてなされる。上端部５０ｃｍ平均燃焼度とは、ＰＷＲ使用済燃料集合体において、上部１／３がバケットに入れられたときに臨界評価上保守的となる燃焼度であり、溶解槽５０の運転時には燃焼度モニタの測定値を判定するために使用される。ＢＷＲ使用済燃料集合体においては、このＰＷＲ使用済燃料集合体の評価結果である５０ｃｍ平均燃焼度をそのまま使用している。また、ＢＷＲ使用済燃料集合体特有の初期濃縮度が燃料棒毎に異なり、濃縮度分布があることを安全側に考慮して評価している。

日本原燃（株）、パンフレット「六ヶ所事業所再処理工場の概要」、２０００年６月、第１２頁事業指定申請書及び事業許可申請書「六ヶ所事業所再処理事業指定申請書」、平成元年３月

上述した従来の再処理工場の溶解槽５０において燃料溶解液が製造されることが、上記ＰＷＲ使用済燃料集合体及びＢＷＲ使用済燃料集合体において共通してなされている。つまり、この溶解槽５０においては、使用済燃料中のウラン（Ｕ）及びプルトニウム（Ｐｕ）を燃料せん断片及び燃料溶解液の形態で同時に保有し、この条件の下での臨界安全設計及び臨界安全管理が必要とされている。

この溶解槽５０におけるＰＷＲ使用済燃料集合体及びＢＷＲ使用済燃料集合体の臨界管理上の大きな相違点は、ＰＷＲ使用済燃料集合体は燃料集合体が大きく、実効増倍率が大きくなる条件として、燃料を溶解させる溶解槽中の単一バケットに燃焼度が小さい上部約１／３のみが供給されることを考慮する必要がある。

しかし、これに対して、ＢＷＲ使用済燃料集合体はほぼ１体の燃料がバケットに入るために、溶解槽５０に供給されるＢＷＲ使用済燃料集合体については、この使用済燃料の分割供給について考慮する必要がない。それにも拘らず、ＰＷＲ使用済燃料集合体及びＢＷＲ使用済燃料集合体は溶解槽５０において、同一の取り扱いをしているという課題があった。

上述のように、再処理工場の溶解槽５０はＢＷＲ使用済燃料集合体に対し、ＰＷＲ使用済燃料集合体のように、その上部１／３のみがバケットに入れられる必要がない。また、ＢＷＲ使用済燃料集合体は上下端１５〜３０ｃｍ程度においては、天然ウランが通常配置されている。このように、ＢＷＲ使用済燃料集合体の平均初期濃縮度と端部５０ｃｍ平均燃焼度との領域判定図が実質意味を持たないにも拘らず、ＰＷＲ使用済燃料集合体の評価結果である５０ｃｍ平均燃焼度をそのまま使用し、さらに、ＢＷＲ使用済燃料集合体特有の燃料棒毎の初期濃縮度分布を安全側に考慮して、溶解槽５０の未臨界性を確保するためのガドリニウムを溶解槽５０に注入する集合体平均初期濃縮度対上端部５０ｃｍ平均燃焼度の領域判定図を作成し、ＢＷＲ使用済燃料集合体を溶解することになっている。このために、ＢＷＲ使用済燃料集合体の場合は、ガドリニウムを溶解槽５０に注入して溶解を行うことが、大きな頻度で行われることとなり、ＢＷＲ使用済燃料集合体の溶解槽５０、この溶解槽５０に後続する主工程及び高レベル廃棄物処理工程の運転において不要な負荷を懸けているという課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、溶解槽５０のバケットに軽水炉の使用済燃料集合体が導入された状態を安全側にモデル化し臨界評価を行い実効増倍率を求めることにより、適正な臨界安全設計及び臨界安全管理を行うことのできる再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、複数の燃料棒を含む沸騰水型使用済燃料集合体をせん断した後にこのせん断片を溶解する再処理施設の溶解槽の臨界安全管理を行う再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法において、事前にこの沸騰水型使用済燃料集合体を燃料集合体タイプ別に分類するステップと、この燃料集合体タイプ別の分類において、複数の燃料集合体における軸方向及び径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度に基づいて、代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度が設定されるステップと、この燃料集合体の軸方向位置に関して燃料核設計コードを用いて燃焼計算を行うステップと、この燃焼計算の結果として燃焼度依存の無限増倍率に関して最大の無限増倍率を与える燃焼度が決定されるステップと、この最大の無限増倍率を与える燃焼度が決定された前記燃料棒中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められ、この燃料棒の初期濃縮度が同一の燃料棒でこの同位体核種の濃度が平均化されるステップと、前記せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作り無限増倍率が求められるステップと、この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かってこの均質化定数を割り付け、単一バケットに装荷する合計の燃料の重量が割り付けられるステップと、この燃料棒の重量が割り付けられた領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びバケット外で燃料溶解液が満たされている領域には全せん断片平均組成の燃料溶解液が配置され計算モデルが作成されるステップと、この計算モデルに基づいて前記溶解槽の実効増倍率が求められるステップと、この求められた実効増倍率に基づき前記燃料集合体タイプの分類に属する燃料集合体が前記溶解槽において溶解されるステップと、を有することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、複数の燃料棒を含む沸騰水型使用済燃料集合体をせん断した後にこのせん断片を溶解する再処理施設の溶解槽の臨界安全管理を行う溶解槽の臨界安全管理方法において、事前にこの沸騰水型使用済燃料集合体を燃料集合体タイプ別に分類するステップと、この燃料集合体タイプ別の分類において燃料集合体における軸方向及び径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度に基づいて代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度が設定されるステップと、前記燃料集合体タイプの分類に該当する燃料集合体の軸方向燃焼度分布に基づいて代表する燃料集合体の軸方向燃焼度分布が設定されるステップと、前記燃料集合体の各軸方向位置に関して燃料核設計コードを用いて燃焼計算が行われるステップと、前記燃料集合体の各軸方向位置に関して燃焼計算の結果により与えられる燃焼度に基づいて、前記燃料棒中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められ、この燃料棒の初期濃縮度が同一の燃料棒でこの同位体核種の濃度が平均化されるステップと、この求められた燃料棒の同位体核種の平均濃度に基づいて前記せん断片と燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率が求められるステップと、この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かって均質化定数が割り付けられ、この単一バケットに装荷する合計の燃料の重量が割り付けられるステップと、この燃料の重量が割り付けられた領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びこのバケットの外側で燃料溶解液が満たされている領域には全せん断片の平均組成の燃料溶解液が配置され計算モデルが作成されるステップと、この計算モデルに基づいて前記溶解槽の実効増倍率が求められるステップと、この求められた燃焼度依存の実効増倍率に基づき前記燃料集合体タイプの分類に属する燃料集合体が前記溶解槽において溶解されるステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法によれば、連続溶解槽のバケットに使用済燃料集合体が導入される状態を安全側にモデル化し臨界評価を行い実効増倍率を求めることにより、適正な臨界安全管理を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順を示すフロー図。本発明の第２の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順を示すフロー図。図２における連続溶解槽に係る計算モデルの例を示す説明図。本発明の第３の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の一部を示すフロー図。本発明の第５の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の前段を示すフロー図。本発明の第５の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の後段を示すフロー図。本発明の第６の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の前段を示すフロー図。本発明の第６の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の後段を示すフロー図。本発明の第７の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の一部を示すフロー図。ＢＷＲ使用済燃料集合体を示す説明図で、（ａ）はその軸方向の構成を示す正面図、（ｂ）はその燃焼度を示すグラフ。ＢＷＲ使用済燃料集合体の径方向の構成を示す断面図。溶解槽の概要構成を示す斜視図。溶解時に未臨界を担保するためガドリニウムを溶解槽に注入する集合体平均初期濃縮度対集合体上端部５０ｃｍ平均燃焼度の領域判定を示す説明図で、（ａ）はそのＰＷＲ使用済燃料集合体の場合のガドリニウム注入領域判定図、（ｂ）はそのＢＷＲ使用済燃料集合体の場合のガドリニウム注入領域判定図。

以下、本発明に係る再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順を示すフロー図である。

まず、ＰＷＲ使用済燃料集合体やＢＷＲ使用済燃料集合体が再処理工場に搬入される。再処理工場においては、この燃料集合体は、図示しないせん断機でせん断されてせん断片となり、図１２に示す溶解槽５０に移送される。

この溶解槽５０において、せん断片は、容器本体５２に導入され、燃料部分は溶解され、燃料溶解液が製造される。この製造された燃料溶解液は、溶解液出口５３から導出さる。溶解残（ハル）となった被覆材等は、ハル排出口５４を介して排出される。

ここでは、一例として、ＢＷＲ使用済燃料集合体について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、ＢＷＲ使用済燃料集合体を示す説明図で、（ａ）はその軸方向の構成を示す正面図、（ｂ）はその燃焼度を示すグラフであり、図１１は、ＢＷＲ使用済燃料集合体１の径方向の構成を示す断面図である。

図１０（ａ）及び図１１に示すように、ＢＷＲ使用済燃料集合体１として、８×８燃料集合体の例を示している。この８×８燃料集合体は、複数本の燃料棒５及びウォーターロッドＷを有し、スペーサ２、上部タイプレート３及び下部タイプレート４により燃料棒５の間隔が適切に保持され構成されている。この使用済燃料を含み被覆管を伴ったＢＷＲ使用済燃料集合体１は、再処理施設に搬入される。この再処理施設の剪断工程においては、搬入されたＢＷＲ使用済燃料集合体１は長さが約４ｍにも及ぶので、細かく剪断される。従って、この剪断されたものには、使用済燃料及びジルコニウム合金等から作製された被覆管等が混在することになる。

また、図１０（ｂ）には、一例として、ＢＷＲ使用済燃料集合体の各軸方向位置の燃焼度が示されている。

また、図示しないが、このＢＷＲ使用済燃料集合体１は、各軸方向位置の燃料棒５には径方向に濃縮度分布があり、また、ガドリニアを含有する燃料棒５がある等、その本数やガドリニア濃度も同一ではないことが多い。

次に、再処理施設における溶解槽５０の臨界安全管理方法について、図１を用いて説明する。

まず、ステップＳ１において、軽水炉の複数の燃料棒を含む使用済燃料集合体の一例として、せん断前のＢＷＲ使用済燃料集合体１を対象にして燃焼度モニタを用いてＢＷＲ使用済燃料集合体１の各各の軸方向位置の燃焼度が測定される。燃料核設計コードにこのＢＷＲ使用済燃料集合体１の各軸方向位置の燃焼度が入力されて燃焼計算が行われ燃料棒５の燃焼度が求められる。

次に、ステップＳ２において、この求められた燃料棒５の燃焼度に基づいて燃料棒中の各軸方向位置におけるウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められる。

ステップＳ３において、この同位体核種の濃度が求められた燃料棒５に関し初期濃縮度が同一の燃料棒５で平均化して上記ウラン及びプルトニウムの同位体核種の平均濃度が求められる。

ステップＳ４において、この求められた燃料棒５の同位体核種の平均濃度に基づいて、上記せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率が求められる。

ステップＳ５において、この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かってこの均質化定数が割り付けられ、この単一バケットに装荷される合計の燃料の重量が割り付けられる。

ステップＳ６において、この燃料の重量が割り付けられた領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びこのバケット外側で燃料溶解液が満たされている領域には全せん断片の平均組成の燃料溶解液が配置され計算モデルが作成される。

ステップＳ７において、この溶解槽５０の計算モデルに基づいて溶解槽５０の実効増倍率ｋが求められる。

次に、ステップＳ８において、求められた実効増倍率ｋを未臨界と判断できる未臨界判定値ｋ０と比較し、未臨界判定値ｋ０以下であるときには、ガドリニウムを溶解槽５０に注入しないで溶解される（Ｓ９）。実効増倍率ｋが未臨界判定値ｋ０を上回るときには、ガドリニウムを溶解槽５０に注入して溶解される（Ｓ１０）。

なお、上記ステップＳ４において、せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率を求める段階において、せん断片及び燃料溶解液の単一セルの無限増倍率は、せん断片の硝酸溶液中での溶解の過程を考慮すると、せん断片の直径及びせん断片間のピッチにより変化する。このために、ステップＳ１１に示すように、このせん断片の直径及びせん断片間のピッチをパラメータとして変化させ、最終的には、ステップＳ７において得られる溶解槽５０の実効増倍率ｋの最大値が得られるように繰り返される。

このように構成された本実施の形態において、ステップＳ１における燃料核設計コードによる燃焼計算、またステップＳ４における単一セルの無限増倍率の算出において、ＳＲＡＣシステム「ＳＲＡＣ２００６；ＡＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｎｅｕｔｒｏｎｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｄｅｓｙｓｔｅｍ」（奥村他、ＪＡＥＡ−Ｄａｔａ／Ｃｏｄｅ２００７−００４）を利用して、燃料棒５の燃焼度が求められ、燃料溶解液の単一セルの無限増倍率が求められる。

また、ステップＳ７における溶解槽５０の実効増倍率は、ＳＣＡＬＥシステム「ＳＣＡＬＥ４：ＡＭｏｄｕｌａｒＣｏｄｅＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＰｅｒｆｏｒｍｉｎｇＳｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄＣｏｍｐｕｔｅｒＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＬｉｃｅｎｓｉｎｇＥｖａｌｕａｔｉｏｎ」（ＯＲＮＬ−ＲＳＩＣ，ＣＣＣ−５４５，１９９０）中のＫＥＮＯコード等を利用して算出される。

ステップＳ８における未臨界判定値は、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集、にっかん書房、１９８８年)に記載がある通り、ＳＣＡＬＥシステムのように十分に検証されたコードシステムでは０．９５を使用することができる。また、臨界安全ハンドブックに同じく記載がある通り、ＪＡＣＳシステム「ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＣｏｍｐｕｔｅｒＣｏｄｅＳｙｓｔｅｍＪＡＣＳｆｏｒＣｒｉｔｉｃａｌｉｔｙＳａｆｅｔｙ」（Ｊ．Ｋａｔａｋｕｒａ，Ｙ．Ｎａｉｔｏ，Ｙ．Ｋｏｍｕｒｏ，ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｆＡＮＳ，Ｖｏｌ．４１（１９８２））には未臨界と判断してよい旨の推定臨界下限増倍率が用意されており、検証されたその他のコードシステムを利用するときには検証によって算出された推定臨界下限増倍率を未臨界判定値として利用することができる。

本実施の形態によれば、溶解槽５０のバケットに軽水炉の複数の燃料棒を含む使用済燃料集合体が導入された状態を安全側にモデル化し臨界評価を行い実効増倍率ｋを求めることにより、適正な臨界安全管理を行うことができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態の再処理施設における溶解槽５０の臨界安全管理方法の手順を示すフロー図である。本図は、図１の臨界安全管理方法の手順に燃料棒５の軸方向位置に関し無限増倍率が最大の軸方向位置を選定するステップＳ３１を追加して設けたものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、ステップＳ１において、せん断前のＢＷＲ使用済燃料集合体１を対象にして燃焼度モニタを用いてＢＷＲ使用済燃料集合体１の軸方向位置の燃焼度が測定される。燃料核設計コードにこのＢＷＲ使用済燃料集合体１の軸方向位置の燃焼度が入力されて燃焼計算が行われ燃料棒５の燃焼度が求められる。

ステップＳ２においては、この求められた燃料棒５の燃焼度に基づいて燃料棒中の各軸方向位置におけるウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められる。

ステップＳ３１においては、この燃料棒５の燃焼計算の結果に基づいて燃料棒５中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度と同時に出力される軸方向位置に関する無限増倍率が最大の軸方向位置が選定される。

ステップＳ３においては、ステップＳ３１において選定された無限増倍率が最大の軸方向位置のみについての燃料棒５中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められる。また、この無限増倍率が最大の軸方向位置について同位体核種の濃度が求められた燃料棒５に関し初期濃縮度が同一の燃料棒５で平均化して上記ウラン及びプルトニウムの同位体核種の平均濃度が求められる。このようにして、この燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒で平均化される。

次に、ステップＳ４においてこの無限増倍率の大きい順番を求めた後に、ステップＳ５において、単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かってこの均質化定数が割り付けられ、このバケットに装荷される合計の燃料の重量が割り付けられる。

このように構成された本実施の形態において、この溶解槽５０の計算モデルの具体的に適用した例について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１２の溶解槽５０に係る計算モデルの例を示す説明図である。

図３に示すように、「非均質燃料部」の領域においては、単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かってこの均質化定数が割り付けられ、このバケットに装荷される合計の燃料の重量が割り付けられている。

この燃料の重量が割り付けられた「非均質燃料部」の領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びこのバケット外側で領域である「燃料溶液部」の領域には、全せん断片の平均組成の燃料溶解液が配置されている。

「空気」の領域は、溶解槽５０の縦断面の領域外となる。

かくして、溶解槽５０の縦断面における計算モデルが作成される。この例では、この軸方向位置での燃料棒５について、初期濃縮度が同一の燃料棒５に関し初期濃縮度が６種類であることを示している。

本実施の形態によれば、無限増倍率が最大の軸方向位置のみについて求められた燃料棒５中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度に基づいて、溶解槽５０のバケットに軽水炉の複数の燃料棒を含む使用済燃料集合体が導入された状態をより安全側にモデル化し臨界評価を行い、実効増倍率ｋを求めることにより、より適正な臨界安全管理を行うことができる。

図４は、本発明の第３の実施の形態の再処理施設における溶解槽５０の臨界安全管理方法の手順の一部を示すフロー図である。本図は、図１及び図２におけるステップＳ３を省略したものであり、図１及び図２と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１及び図２のステップＳ３において、同位体核種の濃度が求められた燃料棒５に関し初期濃縮度が同一の燃料棒５で平均化して上記ウラン及びプルトニウムの同位体核種の平均濃度が求められる。

一方、図４のステップＳ３２においては、図１及び図２のステップＳ３の代わりに、ステップＳ４における手順が行われる。すなわち、燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒５のそれぞれに対し、せん断片と燃料溶解液の単一セルを作り、無限増倍率が求められる。

ステップＳ３２においては、この燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒５のせん断片が、最大の無限増倍率を与える燃料棒５のせん断片でできていると仮定して、バケット内径方向内側から外側に向かって、単一バケットに装荷する合計の燃料の重量まで、均質化定数が割り付けられ、この単一バケットに装荷される合計の燃料の重量が割り付けられる。

ステップＳ６以降の手順は、図１及び図２に示すように実施される。すなわち、図１及び図２のステップＳ３〜Ｓ５は、図４のステップＳ３２、Ｓ３３のようになり、その他の手順は同一である。

本実施の形態によれば、燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒５のせん断片が、最大の無限増倍率を与える燃料棒のせん断片でできていると仮定し、ウラン及びプルトニウムの同位体核種の平均濃度を算出するステップを省略して、溶解槽５０のバケットに軽水炉の複数の燃料棒を含む使用済燃料集合体が導入された状態をより安全側にモデル化し臨界評価を行い、実効増倍率ｋを求めることにより、より適正な臨界安全管理を行うことができる。

次に、本発明の第４の実施の形態の再処理施設における溶解槽５０の臨界安全管理方法の手順について、図１を用いて説明する。

図１のステップＳ１において、せん断前のＢＷＲ使用済燃料集合体１を対象にして燃焼度モニタを用いてＢＷＲ使用済燃料集合体１の軸方向位置の燃焼度が測定される。燃料核設計コードにこのＢＷＲ使用済燃料集合体１の軸方向位置の燃焼度が入力されて燃焼計算が行われ燃料棒５の燃焼度が求められる。

一方、本実施の形態においては、これに代わり、原子力発電プラントの炉心管理に使用するプロセスコンピュータが持つこの使用済燃料集合体の軸方向位置の燃焼度が使用される。なお、溶解槽５０の具体的な臨界安全管理方法は、図１、図２及び図４に示す手順と同一である。

本実施の形態によれば、プロセスコンピュータが持つこの使用済燃料集合体の軸方向位置の燃焼度を使用することにより、溶解槽５０のバケットに軽水炉の複数の燃料棒を含む使用済燃料集合体が導入された状態を安全側にモデル化し臨界評価を行い、実効増倍率ｋを求めることにより、適正な臨界安全管理を行うことができる。

図５は、本発明の第５の実施の形態の再処理施設における溶解槽５０の臨界安全管理方法の手順の前段を示すフロー図であり、図６は、本発明の第５の実施の形態の再処理施設における溶解槽５０の臨界安全管理方法の手順の後段を示すフロー図である。図１の臨界安全管理方法においては、軽水炉の使用済燃料集合体をせん断し再処理施設の溶解槽５０において処理しているが、本図においては、ＢＷＲ使用済燃料集合体１を対象にして溶解槽５０の臨界安全設計及び臨界安全管理を行うものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１においては、軽水炉の使用済燃料集合体の燃料棒５をせん断し、再処理施設の溶解槽５０においてこのせん断片を導入し溶解している。この溶解の際に、未臨界性を担保するためにガドリニウムを注入して溶解するか、溶解に際しガドリニウムの注入が必要ないかを判定して再処理施設の溶解槽の臨界安全管理方法である。一方、図５においては、ＢＷＲ使用済燃料集合体１を対象に、溶解槽５０の臨界安全設計及び臨界安全管理を行うものである。

図５に示すように、まず、ステップＳ４１において、事前に、ＢＷＲ使用済燃料集合体１は燃料集合体タイプ別に分類される。

次に、ステップＳ４２において、この燃料集合体タイプの分類に該当する複数の燃料集合体における軸方向及び径方向の濃度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度に基づいて、代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度が設定される。

次に、ステップＳ４３において、この軸方向位置に関して燃料核設計コードを用いて燃焼計算が行われる。

ステップＳ４４において、この燃焼計算の結果として出力される燃焼度依存の無限増倍率に関して最大の無限増倍率を与える燃焼度が決定される。

ステップＳ４５において、この最大の無限増倍率を与える燃焼度において、燃料棒５中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められ、この燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒で同位体核種の濃度が平均化される。

ステップＳ４６において、せん断片と燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率が求められる。

ステップＳ４７において、この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かって均質化定数が割り付けられ、単一のバケットに装荷する合計の燃料の重量が割り付けられる。

図６に示すように、ステップＳ４８において、この燃料の重量が割り付けられた領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びこのバケット外側で燃料溶解液が満たされている領域には全せん断片の平均組成の燃料溶解液が配置され計算モデルが作成される。

ステップＳ４９において、この溶解槽５０の計算モデルに基づいて溶解槽５０の実効増倍率ｋが求められる。

次に、ステップＳ５１において、求められた実効増倍率ｋを未臨界と判断できる未臨界判定値ｋ０と比較し、未臨界判定値ｋ０以下であるときには、ガドリニウムを溶解槽５０に注入しないで溶解される（Ｓ５２）。実効増倍率ｋが未臨界判定値ｋ０を上回るときには、ガドリニウムを溶解槽５０に注入して溶解される（Ｓ５３）。

この実効増倍率ｋは燃料集合体タイプの如何なる燃焼度の如何なる燃料集合体の溶解に対しても、最も保守側の実効増倍率であり、実効増倍率が未臨界制限値以下であれば、燃焼度モニタによる燃焼度測定も不用となり、臨界安全管理方法は燃料タイプの確認のみとなる（Ｓ５４）。

なお、ステップＳ４２における燃料集合体タイプの分類に関連して、代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度を設定するに際しては、該当する複数の燃料集合体の軸方向及び径方向における該当する複数の燃料集合体について、濃縮度分布は燃料棒５の濃縮度を大きめに包絡し、ガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度は両者共に減らすことにより、代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度を安全側に簡素化して設定することができる。

また、上記ステップＳ４６において、せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率を求めるステップにおいて、せん断片及び燃料溶解液の単一セルの無限増倍率は、せん断片の硝酸溶液中での溶解の過程を考慮すると、せん断片の直径及びせん断片間のピッチにより変化する。このために、ステップＳ５０に示すように、このせん断片の直径及びせん断片間のピッチをパラメータとして変化させ、最終的には、ステップＳ４９において得られる溶解槽５０の実効増倍率ｋの最大値が得られるように繰り返される。

本実施の形態によれば、ＢＷＲ使用済燃料集合体１の溶解においては、燃料集合体タイプを確認し、ガドリニウムを注入して溶解するか又は溶解にガドリニウムの注入が必要ないかを決定することができる。上述のように、この実効増倍率ｋは燃料集合体タイプの如何なる燃焼度の如何なる燃料集合体の溶解に対しても、最も保守側の実効増倍率であり、実効増倍率が未臨界制限値以下であれば、燃焼度モニタによる燃焼度測定も不用となり、臨界安全管理方法は燃料タイプの確認のみとなる。

図７は、本発明の第６の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の前段を示すフロー図であり、図８は、本発明の第６の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の後段を示すフロー図である。図１の臨界安全管理方法においては軽水炉の使用済燃料集合体をせん断し再処理施設の溶解槽５０において処理しているが、本図においては、ＢＷＲ使用済燃料集合体１を対象にして溶解槽５０の臨界安全管理を行うものである。

図７に示すように、まず、ステップＳ６１において、事前に、ＢＷＲ使用済燃料集合体１は燃料集合体タイプ別に分類される。

次に、ステップＳ６２において、この燃料集合体タイプの分類に該当する複数の燃料集合体における軸方向及び径方向の濃度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度に基づいて、代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度が設定される。

また、ステップＳ６３において、この燃料集合体タイプの分類に該当する燃料集合体における軸方向燃焼度分布に基づいて、代表する燃料集合体の軸方向燃焼度分布が設定される。

ステップＳ６４において、この燃料集合体の各軸方向位置に関して燃料核設計コードを用いて燃焼計算が行われる。

ステップＳ６５において、この燃焼計算の結果により与えられる燃焼度に基づいて、燃料棒５中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められ、この燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒で同位体核種の濃度が平均化される。

ステップＳ６６において、この求められた燃料棒５の同位体核種の平均濃度に基づいて、上記せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率が求められる。

ステップＳ６７において、この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かって均質化定数が割り付けられ、単一のバケットに装荷する合計の燃料の重量が割り付けられる。

図８に示すように、ステップＳ６８において、この燃料の重量が割り付けられた領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びこのバケット外側で燃料溶解液が満たされている領域には全せん断片の平均組成の燃料溶解液が配置され計算モデルが作成される。

ステップＳ６９において、この溶解槽５０の計算モデルに基づいて溶解槽５０の実効増倍率ｋが求められる。

次に、ステップＳ７１において、求められた実効増倍率ｋを未臨界と判断できる未臨界判定値ｋ０と比較し、未臨界判定値ｋ０以下であるときには、ガドリニウムを溶解槽５０に注入しないで溶解される（Ｓ７２）。実効増倍率ｋが未臨界判定値ｋ０を上回るときには、ガドリニウムを溶解槽５０に注入して溶解される（Ｓ７３）。

この実効増倍率ｋは燃料集合体タイプの該当する燃焼度において、如何なる燃料集合体の溶解に対しても、最も保守側の実効増倍率であり、この実効増倍率ｋが未臨界制限値以下であれば、燃料タイプの確認と燃焼度モニタによる燃焼度測定値又はプロセスコンピュータが持つ使用済燃料集合体の燃焼度の何れかを用いて、臨界安全管理を行うことができる（Ｓ７４）。

なお、ステップＳ６２における燃料集合体タイプの分類に関して、代表するＢＷＲ使用済燃料集合体１の軸方向位置における径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度を設定するに際しては、該当する複数の燃料集合体の軸方向及び径方向における該当する複数の燃料集合体について、濃縮度分布は燃料棒５の濃縮度を大きめに包絡し、ガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度は両者共に減らすことにより、代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度を安全側に簡素化して設定することができる。

また、上記ステップＳ６３の燃料集合体タイプの分類において、該当する複数の燃料集合体における軸方向燃焼度分布に基づいて代表する燃料集合体の軸方向燃焼度分布を設定するに際しては、該当する燃料集合体の燃焼度モニタによる実際の測定値を用いて評価することができるし、また、プロセスコンピュータが持つ使用済燃料集合体の燃焼度分布によっても評価することが可能である。さらに、「ＢＵＲＮＵＰＣＲＥＤＩＴＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＴＯＴＲＡＮＳＰＯＲＴＡＴＩＯＮＡＮＤＳＴＯＲＡＧＥＯＦＳＰＥＮＴＢＷＲＦＵＥＬＡＳＳＥＭＢＬＩＥＳ（１）ＡＸＩＡＬＺＯＮＥＩＮＧＭＯＤＥＬ」（ＹｏｓｈｉｈｉｒａＡｎｄｏｅｔ．ａｌ，ＩＣＮＣ’９９，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０−２４，ＶｅｒｓａｉｌｌｅｓＦｒａｎｃｅ）には、上記ステップＳ６２、Ｓ６３を同時に安全側に設定して算出する方法が記載されており参考となる。

また、上記ステップＳ６６において、せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率を求める段階において、せん断片及び燃料溶解液の単一セルの無限増倍率は、せん断片の硝酸溶液中での溶解の過程を考慮すると、せん断片の直径及びせん断片間のピッチにより変化する。このために、ステップＳ７０に示すように、このせん断片の直径及びせん断片間のピッチをパラメータとして変化させ、最終的には、ステップＳ６９において得られる溶解槽５０の実効増倍率ｋの最大値が得られるように繰り返される。

本実施の形態によれば、ＢＷＲ使用済燃料集合体１の溶解においては、燃料集合体タイプを確認し、ガドリニウムを注入して溶解するか又は溶解にガドリニウムの注入が必要ないかを決定することができる。上述のように、この実効増倍率ｋは燃料集合体タイプの該当する燃焼度において、如何なる燃料集合体の溶解に対しても、最も保守側の実効増倍率であり、この実効増倍率ｋが未臨界制限値以下であれば、燃料タイプの確認と燃焼度モニタによる燃焼度測定値又はプロセスコンピュータが持つ使用済燃料集合体の燃焼度の何れかを用いて、臨界安全管理を行うことができる。

図９は、本発明の第７の実施の形態の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法の手順の一部を示すフロー図である。本図は、図５のステップＳ４５及び図７のステップＳ６５を省略したものであり、図５及び図７と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図５のステップＳ４５及び図７のステップＳ６５においては、初期濃縮度が同一の燃料棒で、燃料棒５中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が平均化される。

これに対して、図９に示すように、ステップＳ７５においては、上記燃料棒５の各軸方向位置あるいは当該軸方向位置において、この燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒５のそれぞれについてせん断片と燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率が求められる。

ステップＳ７６において、燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒５のせん断片が全てその内の最大の無限増倍率を与える燃料棒のせん断片でできていると仮定して、この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かって均質化定数が割り付けられ、単一のバケットに装荷する合計の燃料の重量が割り付けられる。

このように構成された本実施の形態において、図５のステップＳ４５〜Ｓ４７及び図７のステップＳ６５〜Ｓ６７は、図９に示すようにステップＳ７５、Ｓ７６のようになり、その他のステップは同一である。

本実施の形態によれば、燃料棒５の初期濃縮度が同一の燃料棒５のせん断片が、最大の無限増倍率を与える燃料棒のせん断片でできていると仮定し、ウラン及びプルトニウムの同位体核種の平均濃度の算出するステップを省略して、溶解槽５０のバケットにＢＷＲ使用済燃料集合体１が導入された状態をより安全側にモデル化し臨界評価を行い、実効増倍率ｋを求めることにより、より適正な臨界安全管理を行うことができる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１…ＢＷＲ使用済燃料集合体、２…スペーサ、３…上部タイプレート、４…下部タイプレート、５…燃料棒、５０…溶解槽、５１…燃料せん断片入口、５２…容器本体、５３…溶解液出口、５４…ハル排出口。

Claims

複数の燃料棒を含む沸騰水型使用済燃料集合体をせん断した後にこのせん断片を溶解する再処理施設の溶解槽の臨界安全管理を行う再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法において、
事前にこの沸騰水型使用済燃料集合体を燃料集合体タイプ別に分類するステップと、
この燃料集合体タイプ別の分類において、複数の燃料集合体における軸方向及び径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度に基づいて、代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度が設定されるステップと、
この燃料集合体の軸方向位置に関して燃料核設計コードを用いて燃焼計算を行うステップと、
この燃焼計算の結果として燃焼度依存の無限増倍率に関して最大の無限増倍率を与える燃焼度が決定されるステップと、
この最大の無限増倍率を与える燃焼度が決定された前記燃料棒中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められ、この燃料棒の初期濃縮度が同一の燃料棒でこの同位体核種の濃度が平均化されるステップと、
前記せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作り無限増倍率が求められるステップと、
この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かってこの均質化定数を割り付け、単一バケットに装荷する合計の燃料の重量が割り付けられるステップと、
この燃料棒の重量が割り付けられた領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びバケット外で燃料溶解液が満たされている領域には全せん断片平均組成の燃料溶解液が配置され計算モデルが作成されるステップと、
この計算モデルに基づいて前記溶解槽の実効増倍率が求められるステップと、
この求められた実効増倍率に基づき前記燃料集合体タイプの分類に属する燃料集合体が前記溶解槽において溶解されるステップと、
を有することを特徴とする再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法。
複数の燃料棒を含む沸騰水型使用済燃料集合体をせん断した後にこのせん断片を溶解する再処理施設の溶解槽の臨界安全管理を行う溶解槽の臨界安全管理方法において、
事前にこの沸騰水型使用済燃料集合体を燃料集合体タイプ別に分類するステップと、
この燃料集合体タイプ別の分類において燃料集合体における軸方向及び径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度に基づいて代表する燃料集合体の軸方向位置における径方向の濃縮度分布並びにガドリニア入り燃料棒の本数及びガドリニア濃度が設定されるステップと、
前記燃料集合体タイプの分類に該当する燃料集合体の軸方向燃焼度分布に基づいて代表する燃料集合体の軸方向燃焼度分布が設定されるステップと、
前記燃料集合体の各軸方向位置に関して燃料核設計コードを用いて燃焼計算が行われるステップと、
前記燃料集合体の各軸方向位置に関して燃焼計算の結果により与えられる燃焼度に基づいて、前記燃料棒中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度が求められ、この燃料棒の初期濃縮度が同一の燃料棒でこの同位体核種の濃度が平均化されるステップと、
この求められた燃料棒の同位体核種の平均濃度に基づいて前記せん断片と燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率が求められるステップと、
この無限増倍率の大きい順番を求めた後に単一セルの均質化定数を求め、バケット内の内側から無限増倍率が大きい順に径方向外側に向かって均質化定数が割り付けられ、この単一バケットに装荷する合計の燃料の重量が割り付けられるステップと、
この燃料の重量が割り付けられた領域の外側でこのバケット内の径方向領域及びこのバケットの外側で燃料溶解液が満たされている領域には全せん断片の平均組成の燃料溶解液が配置され計算モデルが作成されるステップと、
この計算モデルに基づいて前記溶解槽の実効増倍率が求められるステップと、
この求められた燃焼度依存の実効増倍率に基づき前記燃料集合体タイプの分類に属する燃料集合体が前記溶解槽において溶解されるステップと、
を有することを特徴とする再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法。
前記燃料棒の各軸方向位置においてこの燃料棒中のウラン及びプルトニウムの同位体核種の濃度を求めた後に、この燃料棒の初期濃縮度が同一の燃料棒のそれぞれについて前記せん断片及び燃料溶解液の単一セルを作って無限増倍率を求めるステップと、この燃料棒の初期濃縮度が同一の燃料棒のせん断片が全て最大の無限増倍率を与える燃料棒のせん断片でできていると仮定して前記均質化定数が求められるステップと、を有することを特徴とする請求項１又は２記載の再処理施設における連続溶解槽の臨界安全管理方法。