原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
ミクロ炉物理に基づく反応度係数の高精度測定手法と解析手法の開発
(研究代表者)吉岡研一 電力・社会システム技術開発センター 主査
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構、国立大学法人大阪大学
１．研究開発の背景とねらい
燃料の高燃焼度化、高濃度ガドリニア入り燃料の使用や、さらには導入が検討されている濃縮度が5%を超える超高燃焼度燃料等により燃料集合体内の非均質性が増大し、これまで問題とされなかった燃料棒内の中性子束分布やスペクトル分布などの炉物理特性を把握するために「ミクロ炉物理」と称する研究が注目されている[1]。本事業では、革新型原子炉の一つである低減速軽水炉炉心の非均質性に注目している。低減速炉では、従来軽水炉より燃料に対する水の割合が少ないが、一部に局在する水の周囲では大きな中性子束分布の変化が生じ非均質性が増大する。ここでは、非均質性を燃料棒内の反応率空間分布に起因する「燃料棒内非均質性」と、集合体内の反応率空間分布に起因する「集合体内非均質性」に分け、非均質性を考慮して反応度係数を従来よりも高精度に測定できる手法を開発すると共に、ミクロ炉物理的メカニズムに基づき反応度係数解析手法の精度向上を図ることを目的とする。
２．研究開発成果
(1)測定手法の開発
東芝臨界実験装置（TOSHIBA Nuclear Critical Assembly: NCA、以下NCAと記述）において測定手法の開発を行った。この測定手法の開発では、技術開発の課題として、集合体内非均質性についてはボイド反応度係数の位置依存性の測定、燃料棒内非均質性については精度良く燃料棒内の中性子束分布を測定することが挙げられる。
図1はNCA炉心内に低減速軽水炉体系を模擬したものであり、テスト領域(図中白点線内)と、炉心を臨界にするために周囲に正方格子で配置したドライバ領域(図中白点線外)からなる。集合体の非均質性を模擬するために、炉心中央部にウォーターホールを設けている。ボイド反応度係数は単位ボイド変化あたりの反応度変化で表されるが、実験では２つのボイド状態の差によるボイド反応度を測定した。ボイド状態の模擬には密度を調整した発泡ポリスチレンを使用し、ボイド反応度の測定は修正転換比から算出する手法を用いている[2]。測定結果の一例を後述の解析結果と併せて図2に示す。ウォーターホール近傍の棒No.1では、棒No.2よりボイド反応度が大きいことがわかり、集合体の非均質性によりボイド反応度が変化することが実験的に初めて実証されたといえ、本技術開発の大きな成果の一つである。
燃料棒内の非均質性を測定するために、エッチングによる精密パターン加工を箔に施しておき、照射後に分離する手法を開発し、箔放射化法により燃料棒内の中性子束分布を測定した。図3はエッチング加工を施した箔と分離後の様子を示している。図4、5に燃料棒内銅(Cu)およびタングステン(W)箔放射化率分布の測定結果の一例を後述の解析結果と併せて示す。Cu箔、W箔放射化率分布は、それぞれ熱中性子束、共鳴中性子束分布に比例する。図からエッチング加工箔により燃料棒内熱中性子束分布を精度良く測定できていることがわかる。このような測定は世界でも希少であり、開発した測定技術は今後の革新型原子炉の設計精度評価にも有効な試験技術となる。
(2)解析手法の開発
解析手法については、高速性と解析精度を考慮し、実効断面積作成には、エネルギー分割法を改良することにより短時間で高精度の解が得られるマルチバンド法を採用し、体系計算では、燃料セル領域内の幾何形状を忠実に取り扱い、さらにペレット内を微小領域に分割して解析可能な2次元キャラクタリスティクス(MOC)法を使用した。上記の2つの手法を組み合わせることで、解析手法の高度化を図った。図6に計算体系の詳細化モデルを示す。
本解析手法の検証のために試験解析を実施した。前述の図2にボイド反応度、図4、5に燃料棒内中性子束分布の解析結果を、連続エネルギーモンテカルロコードMVP[3]による参照解ととも示した。ボイド反応度に関しては、解析と測定はやや差があるが位置依存性の傾向を良く再現している。燃料棒内放射化率分布に関しては、解析と測定は良く一致している。これらの結果から本解析手法は非均質性の高い革新型炉の設計に有効な解析手法であるといえる。
３．今後の展望
本事業で開発した測定技術および解析技術を炉心設計にフィードバックし、革新型炉設計技術の高度化につなげていく。
４．参考文献
図１ 非均質体系実験炉心
図3 エッチング加工を施した放射化箔
図4 Cu箔による燃料棒内放射化率分布測定結果
図5 W箔による燃料棒内放射化率分布測定結果
図6 ミクロ炉物理メカニズムを考慮した解析モデル
