原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

高速炉実機未臨界状態で行う反応度フィードバック精密測定技術の開発

１．研究開発の背景とねらい

　高速炉の安全性については、運転実績の蓄積経験の長い軽水炉と同等であることが社会的な要請である。これまで実機の核設計や設置等に関する許認可対応において、炉心核特性を評価する臨界実験が行われてきた。しかし、革新的高速炉開発では炉心が大型化するために、臨界実験の実施が困難になる傾向がある。その上、近年の設計解析技術の進展を考慮すると、「大規模解析＋部分模擬試験」の組合せによる設計・許認可対応が不可避である。
　そこで、高速炉の安全性に関しては、初号機の建設前に大規模モックアップ実験を行わず、設計段階で示される安全評価結果と実際の初号機プラントの実測性能に基づいて安全を担保する“A performance-based approach”の考え方が、GEN-IVの検討において提唱された。この考え方は、今後の革新炉開発では有効な方法であると考えられており、開発段階の高速炉においては、炉型や制御方式・冷却材の選択に関わらず、炉型毎の「初号機」において実施することが要求される。
　この“A performance-based approach”の考え方に基づくと、初号機の本格運転開始前に実施する起動前炉物理試験において、将来、運転で実現される炉心状態を含む広い想定状況に対する各種炉心反応度特性を測定することが必要である。現在、実機では、ペリオド法と置換法の組み合わせによる制御棒反応度価値測定やポンプ入熱により系統温度を上下させての等温温度係数測定などの炉物理試験が、臨界状態において実施されている。この試験では、炉心の余剰反応度の範囲内で制御棒パターンを工夫して実現する炉心状態に対してのみ特性データを取得する。そのため、制御棒干渉効果などを含む複雑な現象を測定することになり、その解釈・要因分析が難しい場合もある。この炉物理試験を未臨界状態で実施できれば、制御棒パターンを自由に選択できることから干渉効果を排除することが期待できる。その結果、燃焼が進んだ状態等の中性子束分布の模擬や様々な反応度係数評価項目の測定の実施が期待でき、かつ安全に試験を遂行することができる。しかし、これまでの実機における起動前炉物理試験は、制御棒の炉停止余裕や落下法による制御棒単体の反応度価値測定を除くと、未臨界状態で実施された例がない。
　そこで、本開発では、高速炉システムを対象に、実機での起動前炉物理試験を未臨界状態で実施できる反応度変化測定技術として、修正中性子源増倍法（以下、MSM法）を基本に炉雑音計測法と複合し、かつ解析による斬新な補正方法を統合した測定法（「シンセシス法」と呼ぶ）を開発し、高速炉臨界実験装置（以下「FCA」という）を用いてその原理を実証するとともに、その技術に基づく実機の計測システムを提案する。
　本開発を達成した後には、安全評価に重要な反応度フィードバック要因や安全性確保に重要な炉物理諸特性に対して、未臨界から臨界状態までの広範囲において高精度測定が可能となり、革新型高速炉の開発コスト及び時間の削減に大きく貢献すること、炉物理の分野における“A performance-based approach”の道を拓くことが期待できる。

２．研究開発成果

(1) 中性子検出器応答評価モデルの確立

　これまでに未臨界状態で炉物理試験が実施されたことがないため、炉物理試験項目である反応度価値及び反応度フィードバック係数を未臨界状態にて精密測定するためには、未臨界状態における反応度／反応度変化と中性子検出器応答の関係（中性子検出器応答評価モデル）を把握する必要がある。そこで、これまでに、２基の実機想定炉心（300MWe級及び750MWe級）を選定し、数値計算によって炉心燃焼初期と末期の核特性、炉内中性子源分布等を調べた後、未臨界度が浅い場合（臨界に近い未臨界状態）と深い場合（臨界から遠い未臨界状態）の２ケースに対する中性子検出器応答評価モデルを、数値シミュレーションにより構築した。また、想定した実機に対して、測定に重要な中性子検出器の最適配置について理論面及び数値シミュレーションの観点から検討した。さらに、不確かさ要因分析を通して、シンセシス法のもとになる炉雑音法とMSM法で使用する検出器に対して、炉内のマクロ断面積変動が検出器応答に及ぼす影響を数値シミュレーションによって調べた。
　平成21年度は、中性子検出器の最適配置に関する検討を継続するとともに、２基の実機想定炉心に加えて、炉心サイズの小さいFCA試験体系級の小型炉心と炉心サイズの大きい実用規模（1500MWe級）炉心の２体系を設定し、同様の検討を行った。

①中性子検出器最適配置方法に関する検討

　これまでに実施した中性子検出器最適配置方法に関する理論的検討および数値シミュレーションによる検討の一環として、FCAを用いた試験における実験体系（FCA-XXVIII-1炉心）に対する検出器最適配置方法を検討した。検討に際し、体系の実効増倍率（κ_eff）が0.9864の未臨界状態を想定し、中性子検出器である³He中性子比例計数管の位置を、実機での適用条件等を考慮して体系外周部をはじめ３箇所と想定した。中性子輸送理論及び中性子検出器応答関数理論に基づく計算コードを用いて数値計算を実施し、３箇所の検出器位置を対象に、検出器インポータンス分布および検出中性子増倍率（κ_det）を求めた結果、κ_eff=0.9864の未臨界状態であっても、いずれの検出器位置も、κ_detからκ_effが推定可能な最適検出器配置条件を満たしていることが分かった。

②不確かさ要因分析による精度評価

　これまでの２基の実機想定炉心に加えて、FCA試験体系級の小型炉心と1500MWe級炉心の２体系について、不確かさ要因分析を行い、750MWe級炉心の結果と比較した。その結果、 FCA試験体系級小型炉心では、不確かさ要因となる内外炉心のマクロ断面積変動が検出器応答に及ぼす影響は検出器設置位置の違いにあまり依存しないとの結果を得た。また、1500MWe級炉心では、浅い未臨界状態において、マクロ断面積変動が検出器応答に及ぼす影響の検出器位置依存性は見られなくなり、深い未臨界状態においては、750MWe級炉心と同程度に外側炉心の不確かさ要因の影響が増大することが分かった。これら一連の結果から、小型炉心から実用規模炉心の範囲に対するマクロ断面積による中性子検出器応答への影響に関する検討では、750MWe級炉心に対する検討で代表できることが確認できた。
　さらに、MSM法による未臨界度を炉雑音法による基準未臨界度に一致させるための補正方法の適用性を検討するために、炉心サイズの異なる計４体系間の系統性を調査した。検出器応答変化に大きな影響を与えるマクロ断面積は、サーベイ計算の結果から、中性子生成断面積（νΣ_f）と中性子吸収断面積（Σ_a）であり、炉心サイズの異なる幅広い体系で共通であることが分かった。この結果より、MSM法による未臨界度を炉雑音法による基準未臨界度に一致させるための補正方法として提案したνΣ_fまたは Σ_aによる燃焼度反応度変化調整手法（燃焼に伴う燃料組成変化に起因する反応度変化をνΣ_fまたは Σ_aの調整によって考慮する手法）は、幅広い体系に対して有効であることが確認できた。これら一連の結果から、小型炉心から実用規模炉心の範囲でのマクロ断面積による中性子検出器応答への影響に関する検討では、750MWe級炉心の検討で代表できることが確認できた。

(2)FCAを用いた試験

　本開発では、中性子検出器応答評価モデルを含むシンセシス法の実機への適用性について実験的に検証するために、FCAを用いた試験を実施する。実施にあたっては、未臨界度の測定範囲が広いパルス中性子源実験を行って、シンセシス法の基になるMSM法や炉雑音法による未臨界度測定結果との比較により、反応度測定精度を評価する。
　平成21年度は、パルス中性子源の整備を完了し、FCAを用いた試験を開始した。

①パルス中性子源の整備

　パルス中性子実験の準備として、平成19年度からパルス中性子源の整備を開始し、平成21年度は、20年度に製作した中性子発生管に148GBqのトリチウムガスを充填し、密封した。その後、トリチウムガスを封入した中性子発生管をFCA建屋に搬入し、動作試験を実施し、パルス中性子源の整備が完了した。

②FCAを用いた実験と解析

　FCAを用いた実験では、これまでの予備計算結果に基づいて、実験体系（FCA-XXVIII-1炉心）を構築した。実験体系の臨界点を確認した後、異なる未臨界状態（0.3$〜1.8$程度）において、MSM法及び炉雑音法により未臨界度を測定した。次に、FCA-XXVIII-1炉心の燃料セルの中心に、中性子発生管の設置等のためにナトリウム領域を設けた炉心（FCA-XXVIII-1(2)炉心）へ変更し、その炉心の臨界点を測定後、異なる未臨界状態（0.6$〜1.8$程度）において、MSM法及びパルス中性子法により未臨界度を測定した。一連の測定結果の比較から、炉雑音法による未臨界度は、MSM法による未臨界度と10%以上相違があり、両手法間の系統的な差異なのかどうか、更なる検討が必要であることが分かった。また、MSM法の補正係数の精度評価の一環として、出力分布の精度評価に必要な反応率分布を測定した。さらに、FCA-XXVIII-1(2)炉心において、実機における制御棒（B₄C）挿入状態を想定した未臨界状態における未臨界度をMSM法にて測定した。その結果、MSM法は、制御棒挿入状態と検出器位置に関係なく有効であることを確認した。
　実験解析では、平成21年度に実施したFCAを用いた試験の内、体系の臨界点、反応率分布、実機における制御棒挿入状態に着目した未臨界度測定で得られる制御棒の反応度価値を、決定論的手法（標準的な高速炉解析システム）及びモンテカルロ手法（MVPコード）により解析を行った。いずれの手法においても、計算値と実験値は概ね良く一致することを確認し、未臨界状態での反応度測定技術で使用する補正計算等は、標準的な高速炉解析システム及びMVPコードとも有効である見込みを得た。

(3)未臨界反応度計測システムの実機への適用

　本開発では、未臨界状態から臨界に至る範囲を複数の中性子検出器の応答を用いて、実機炉心へ適用可能なシンセシス法に基づく未臨界反応度計測システムを構築する。これまでに、未臨界反応度計測システムの性能及び仕様について「もんじゅ」での既往実験（平成8年度実施）による知見を踏まえて検討し、未臨界反応度計測システム概念における課題を摘出した。次に、実機炉心での試験を想定した数値実験等により計測システムの基本アルゴリズムを検討し、システムが具備すべき性能と仕様を検討して、未臨界反応度計測システム概念を構築した。
　平成21年度は、構築したシステムの基本構成をもとに、750MWe級実機想定炉心を対象とした数値実験を行い、炉雑音法による未臨界度決定、炉心周りの中性子検出器位置、未臨界反応度計測システムの適用性について検討した。

①炉雑音法による未臨界度決定に関する検討

　実機における炉雑音法適用範囲の拡張を検討するために、750MWe級炉心を対象に多領域炉雑音模擬データ生成モデルに基づいて作成した数値データに対して、複数の異なる炉雑音法によるデータ解析を行って未臨界度を求め、その結果を比較した。その結果、±5%以内の精度で未臨界度推定値が求まることから、炉雑音法は未臨界度決定法（原子炉を臨界に到達することなく未臨界度を決定する方法）として有効であること、その適用に際して遅発中性子割合（β）等のパラメータ設定が重要であることなどを明らかにした。

②炉心周りの中性子検出器位置の検討

　未臨界状態での測定技術開発では、浅い未臨界状態においてMSM法の基準となる未臨界度を炉雑音法で測定することを提案している。従って、実機における検出器の設置位置は、MSM法での測定精度を考慮すると、中性子束空間分布歪の影響を受けにくい位置であることが必要である。そこで先ず、この点について検討した。その結果、炉心上部軸方向遮蔽体の上方に、周方向60度、120度、180度の異なる位置に検出器を設置し、これらの応答を組み合わせて利用することが有効であるとの知見を得た。次に、この結果を踏まえて、位置の異なる検出器から２つの検出器を選定し、これらを組み合わせて２検出器法による炉雑音シミュレーション解析を実施した。その結果、未臨界度推定において、1検出器法では困難であったが、検出器の信号を２つ以上合算処理することにより、5〜10％程度の推定精度を達成できる見込みを得たことから、炉雑音法の適用範囲の拡大可能性が明確となった。

③未臨界反応度計測システムの適用性検討

　実機における反応度係数測定の例として、未臨界状態において、炉心温度が一様に200℃から350℃まで変化する場合の等温温度反応度変化を想定した。その場合の反応度変化は約0.6$程度であり、炉雑音法の適用可能範囲（約2$までの浅い未臨界状態）にあることが分かった。また、２検出器を用いた炉雑音法では、適切な中性子検出効率を確保すれば、10%程度（反応度で0.03%Δk/kk’程度）の測定精度が期待できることが分かった。一方、深い未臨界体系についても、事前に炉雑音法による未臨界度測定の結果を利用し、MSM法の補正係数の予測精度を主要断面積の調整による向上効果を加味すると、15%程度の測定精度が期待できることが明らかになった。

３．今後の展望

　今後、未臨界状態での反応度測定技術を実機に適用するために、FCAにおける試験による実験的検証とその解析を継続する。その結果を、未臨界反応度計測システムの実機への適用へ反映し、これら一連の結果を総合して、未臨界反応度計測システムを最終構築する。併せて、今後、一層すすめるべき項目・解決すべき課題の定量的な目標を明確化する予定である。