高速増殖炉における炉心燃料とブランケット燃料の配置最適化手法の研究開発(受託者)国立大学法人東北大学(研究代表者)若林利男 大学院工学研究科（研究開発期間）平成２１年度～２３年度

１．研究開発の背景とねらい
高速増殖炉の炉心構成は、均質炉心の場合、7.0

出力分布の平坦化のために内側炉心と外側炉

内側炉心
6.0

心の二領域として、外側炉心燃料のプルトニ
取 出 し 燃 焼 度 （万 M W d /t）

ウム富化度を内側炉心燃料のプルトニウム富化度より高めている。それでも、特に外側炉心燃料の最外層燃料の出力が低く、それに伴い燃焼度が低くなっている。外側炉心の燃料集合体数が多いため、内側炉心及び外側炉心の各取出燃料の平均燃焼度も低くなっていた。
「もんじゅ」の低燃焼度炉心を例にとると、

外側炉心図、２領域、出力分布の炉心平均5.4
平均燃焼度5.0

外側炉心
外側4.14.03.02.01.0

炉心取出平均燃焼度に比べて、外側炉心最外0.0

層燃料の燃焼度は、25%程度低くなっている

1（図 1 参照）。
そのため、経済性向上のために炉心取出平23456789集合体列

図 1「もんじゅ」の取り出し燃焼度分布の例

均燃焼度を増大させるには、外側炉心の炉心燃料の燃焼度を上げることが有効と考えられる。
その方策の 1 つとして、高速増殖炉のブランケット領域の中性子の減速及び反射効果を増大させて、外側燃料の出力の増大とそれに伴い燃焼度を向上させることが考えられる。
ブランケット燃料集合体の構成としては、従来、劣化ウランを収めたブランケット燃料要素のみで構成されていた。ブランケットの減速及び反射効果を増大させるには、ブランケット燃料集合体内に劣化ウラン要素だけでなく、減速及び反射効果が優れている物質(水素化ジルコニウム、重水素ジルコニウム等）を含む要素を適用することが有効であると考えられる。
本研究では、「もんじゅ」を例として、減速材を導入したブランケット燃料要素の材質・構造・配置並びに炉心燃料集合体及びブランケット燃料集合体の配置・交換手法の最適化により、炉心取出平均燃焼度を向上させる手法を開発し、実用炉への適用の観点から検討することを目的としている。
２．研究開発成果(1)ブランケット燃料要素の材質、構造、配置の検討「もんじゅ」低燃焼度炉心を対象として、炉心燃料集合体とブランケット燃料集合体の集合体配置を変更した場合及び集合体の軸方向構造を変更した場合のパラメータサーベイを炉心解析用
モンテカルロコード MVP を用いて実施し、燃焼度、増殖比、出力ピーキング係数等の主要炉心特性に与える影響を明らかにした。更に、これらの成果に基づき、燃焼度向上の観点から最適と考減速材を用いた集合体の配置：第1列ブラン ケット 燃料集合体（54体）位置えられるブランケット燃料要素の材質、構造、配置を決定した。図 1 に「もんじゅ」の炉心配置例を示す。
減速材を用いた集合体を第１列ブラブランケット燃料

ンケット燃料集合体位置に配置する

外側炉心ことで、燃焼度、出力ピーキング係

内側炉心数は改善され、増殖比は低下するこ遮へい体とが分かった。また、軸方向出力平坦化のため軸方向構造変更（重水素炉心槽密度が炉心中心で少なくなるように変更）をした場合について検討し、

図 2 「もんじゅ」炉心内配置例変更の影響は小さいことが分かった。

ZrDピン
（61本）

更に、燃焼度向上の観点から最適と考えられるブランケット燃料要素

ブランケット燃料ピンに配置する減速材として重水素を選定し、図 3 に示したような構造、配置を決定する（61 本の ZrD1.6 減速材ピンを配置した場合）とともに、炉心燃料ピン

炉心平均燃焼度を約 7％向上できる見通しを得た。この炉心は、燃焼度を向上できることから、運転サイクル日数を従来の 123 日から 131 日に

図 3 ブランケット集合体内の減速材ピン配置伸ばすことができる見通しである。
(2) 炉心燃料集合体、ブランケット燃料集合体の配置・交換手法の検討
3 次元燃焼解析コードを用いて、（1）で検討したブランケット燃料要素の材質、構造、配置を基にしたブランケット燃料集合体と炉心燃料集合体の炉心配置、燃料交換に関するパラメータサーベイを実施し、燃料交換パターンの変更が炉心燃料及びブランケット燃料の燃焼度、出力分布等に与える影響を明らかにした。
燃料交換パターンを変更した場合のパラメータサーベイでは、炉心燃料集合体の交換バッチ数４、ブランケット燃料集合体の交換バッチ数５を基本とした。図 4 に燃料交換パターンの例を示す。図 4(a)は燃料交換パターン 5 の全炉心の燃料交換順番を示しており、図 4(b)は 3 つの燃料交換パターンの中心部 18 体の燃料交換順番を示している。解析の結果、ブランケット燃料集合体に61 本の ZrD1.6 減速材ピンを配置した場合、燃料交換パターンの変更による出力ピーキングの変化は 2％程度と小さいことが分かった。また、ブランケット燃料集合体に 61 本の ZrD1.6 減速材ピンを配置した場合は、減速材ピンをブランケット燃料集合体に配置しない場合に比べて、出力ピーキングは低減することが分かった。また、61 本の ZrD1.6 減速材ピンを配置した場合の燃焼度向上分 7%は、運転日数増加（123 日から 131 日）に利用できることが分かった。

578697898566598697568756978657897568797577665858596875685858656956789876766759675755685CR67575865998688CR56CR7858668767686786876568778959758767588755875676978786765677565698865668568895675577575857688758757577698569876876575868576685887898656957555868757697667857657CR

7558867CR5CR

787CR

6CR6CR6

燃料交換パターン15CR8CRCR87CR5CR

56CR5CR

79CR8CR8678665CR

76856659856787868576685756789878785676875957695978659785676567865
97856988878
5757697CR
57567
5586

燃料交換パターン2577697888

7

787CR
55565576557

燃料交換パターン576

5サイクル初期の燃料集合体

炉 心

ブランケット3cycle燃焼後

3cycle燃焼後

2cycle燃焼後

2cycle燃焼後

１cycle燃焼後

１cycle燃焼後

新燃料

新燃料

58578576CR575767854cycle燃焼後集合体内（六角形）の数字は燃焼サイクル数を示す。

(a)燃料交換パターン 5 の全体図(b)パラメタ―サーベイの燃料部パターン例

図 4 燃料交換パターンの例(3) 炉心特性、熱特性、安全性の検討
表 1 ドップラ係数の解析結果の比較

減速材付炉心の安全性検討の一環として、安全上重要な反応度係数（ボイド反応度、燃料温度係数等）、制御ドップラ係数

炉心燃焼時点減速材付炉心平衡末期-9.86E-3

減速材無炉心平衡末期-6.70E-3(Δρ/KdT/T）

棒反応度（主炉停止系、後備炉停止系）等の解析をモンテカルロコード
MVP で実施し、炉心特性に与える影響を明らかにした。更に、ブランケ
ット燃料集合体の最大線出力の抑制、

表 2 ボイド反応度の解析結果の比較

炉心燃料集合体の局所出力ピーキングの抑制について検討した。
表１にドップラ係数の解析結果

ボイド反応度炉心燃焼時点減速材付炉心平衡末期

1.05

減速材無炉心平衡末期1.14(%Δρ）

を、表 2 にはボイド反応度(全炉心ボイド)の解析結果を示す。ブランケッ
ト燃料集合体に 61 本の ZrD1.6 減速材ピンを配置した炉心については、

減速材ピンをブランケ

3.00

ット燃料集合体に配置
2.50

ドップラ反応度係数が約 50％大きくなり、一方、ボイド反応度、燃料温度係数、制御棒価値は大きく変わらない

集合体内出力ピーキング係数（外側炉心第2層）しない炉心と比べて、ことが分かった。
また、ブランケット

減速材無炉心2.00

ZrD減速材付炉心
ZrH減速材付炉心

1.50

1.00

0.500.00

燃料集合体に 61 本の123456789101112131415

外側炉心燃料第２層ピン列番号

ZrD1.6 減速材ピンを配置した炉心のブランケット燃図 5 集合体内出力ピーキングの解析結果の比較

料集合体の最大線出力は約 180W/cm で、減速材ピンをブランケット燃料集合体に配置しない最適化炉心のブランケット燃料集合体の最大線出力の約 290W/cm より小さく、最大線出力の抑制ができていることが明らかになった。
減速材に隣接することで大きくなると予測された外側炉心第 2 列目燃料集合体の局所出力ピーキングの抑制について検討を行なった。図 5 に示すように減速材付炉心における外側炉心第 2列集合体の集合体内出力ピーキング係数は、約１．2 となった。これは、水素減速材を用いる場合の集合体内出力ピーキング係数約 2.7 に対し、重水素減速材を用いることで大幅に低減でき、減速材無炉心並みに局所出力ピーキングを抑制できることが分かった。
３．今後の展望
今後の展望を以下に示す。
「もんじゅ」低燃焼度炉心を対象として、3 次元燃焼解析コードを用いて、ブランケット燃料集合体と炉心燃料集合体の炉心配置、燃料交換に関するパラメータサーベイを実施し、炉心平均燃焼度を向上させる最適な配置・燃料交換方法を明らかにする。なお、今後の検討で使用するブランケット燃料集合体は平成 22 年度に検討した最適と考えられるブランケット燃料要素の材質、構造、配置を基にする予定である。
平成 22 年度に検討した炉心平均燃焼度を向上させた炉心の出力分布から、流量配分を検討し、被覆管最高温度を評価する。また重水素化物等の減速材の導入による炉心の安全性については、重水素等の解離・漏洩による炉心特性への影響を評価し、安全性を確認する。
平成 22 年度に検討した最適と考えられるブランケット燃料要素の材質、構造、配置及び軸方向しゃへい構成を基にして、ブランケット集合体の構造を設定する。ブランケット集合体の流量配分結果に対して圧力損失を評価し、流量調節機構を設計する。これらにより、減速材を装荷したブランケット集合体の構造設計をまとめ、実用炉に適用できる概念を提示する。
更に、3 年間の研究成果をまとめて、炉心平均燃焼度を向上させる手法及びその実用炉への適用性を明らかにする。