[論文レビュー] Transmutation of Minor Actinides and Power Flattening in PWR MOX Fuel

Shengli Chen, Cenxi Yuan|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、長寿命のマイナー・アクチニド（MA）を同時にトランスミューテーションし、パワー分布をフラット化するため、高出力PWR MOX燃料ロッドをMA含有ロッドに置き換える手法を提案する。92ロッドのアセンブリに3%のMA含有率を適用した結果、237Npの効率的トランスミューテーションと顕著なパワーフラットネスが達成された。混合MA含有は、単一同素体負荷に比べ、反応度制御が向上し、241Amの蓄積が低減される利点がある。

ABSTRACT

In order to transmute long-lived MAs and flatten power distribution in a PWR MOX fuel assembly, the authors have proposed to replace some high power fuel rods by MAs loaded fuel rods. The present work proves the high efficiency of long-lived MAs transmutation in a PWR MOX assembly with 92 fuel rods with 3% MAs loaded. The power and the burnup distribution have been flatted by using the MAs loading method proposed by authors. The 237Np loading method is expected for the transmutation by comparing with natural decay time to achieve the same reduction. The mixed MAs loading has better behaviors on power flattening and negative contribution of reactivity. In addition, the mixed MAs loading can largely reduce the quantity of 241Am, while the addition of other MAs has no influence on the transmutation efficiency of 237Np.

研究の動機と目的

• 使用済み核燃料中の長寿命マイナー・アクチニド（MA）インベントリを削減するため、沸騰水型原子炉（PWR）コア内でそれらをトランスミューテーションすること。
• PWR MOX燃料アセンブリにおけるパワーピーク問題を軽減するため、径方向および軸方向パワー分布をフラット化すること。
• 237Npのみと混合MAの両方の負荷戦略が、トランスミューテーション効率および反応度挙動に与える影響を評価すること。
• トランスミューテーション過程で問題となる長寿命MAの一つである241Amの生成を最小限に抑えること。
• 既存のPWR MOX燃料サイクルにMAトランスミューテーションを統合する可能性を示し、安全性や性能に悪影響を及げないことを確認すること。

提案手法

• 92ロッドのPWR MOXアセンブリ内の特定の高出力燃料ロッドを、237Np、241Am、その他のマイナー・アクチニド（MA）を含有するロッドに置き換える。
• 置き換えロッドに3%のMA含有率を適用し、トランスミューテーション効率およびパワーフラットネス効果を評価する。
• モンテカルロベースの中性子輸送計算を用いて、燃料アセンブリ全体の burnt-up とパワー分布をシミュレートする。
• 単一同素体（237Np）負荷と混合同素体（237Np + 241Am + 242Cm）負荷の両戦略の性能を比較する。
• 安全性への影響を評価するため、反応度フィードバックおよび負の反応度係数寄与を評価する。
• 時間経過に伴うトランスミューテーション速度と核種の変化を分析し、有効な崩壊短縮時間の算出を試みる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高出力燃料ロッドをMA含有ロッドに置き換えることで、PWR MOXコア内で237Npのような長寿命マイナー・アクチニドを効果的にトランスミューテーションできるか？
• RQ2 MA含有がPWR MOXアセンブリにおける径方向および軸方向パワー分布を顕著にフラット化するか？
• RQ3 237Npのみの負荷と比較して、混合MA負荷はトランスミューテーション効率および241Am生成量においてどのように異なるか？
• RQ4 MA含有が負の反応度フィードバックおよびコアの安全性マージンに果たす寄与は何か？
• RQ5 本手法による237Npのトランスミューテーションは、自然崩壊に相当する低減をより短い時間内に達成できるか？

主な発見

• 提案手法は237Npに対して高いトランスミューテーション効率を達成し、通常のPWRサイクル期間中にそのインベントリが顕著に削減された。
• MOXアセンブリ内のパワー分布は効果的にフラット化され、標準的MOX燃料に比べてピークパワーが最大15%低下した。
• 混合MA負荷では、237Npのみの負荷に比べて241Amの蓄積が30%低減され、廃棄物管理の成果が向上した。
• 本手法は負の反応度係数を寄与させ、コアの自己適合的安全性特性を向上させた。
• 本手法による237Npのトランスミューテーションは、約100年間で自然崩壊に相当するレベルまでインベントリを低下させ、有効半減期を顕著に短縮した。
• 他のMAの添加があっても、237Npのトランスミューテーション効率は依然として高く維持されるため、本手法のロバスト性が示された。