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He3,#1 He3,#2 BF3 D 1.357 1.446 1.376

⇯⇋⇎∑⇥⇊∆≝100 Psec

30ᅺ᧓ยܭኽௐ (Core Z)

He3,#1 He3,#2 BF3 D 1.249 1.439 1.354

ยܭኽௐ ≋T = 30 msec, 30ᅺ᧓ยܭ≌

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3He #2౨Ј֥ 0.432 (1.128) 0.814 (1.048) 1.630 (0.950) BF₃౨Ј֥ 0.368 (1.059) 0.840 (1.012) 1.245 (0.920)

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Core X Core Y Core Z

3He #1౨Ј֥ 0.412 (1.016) 0.836 (1.043) 1.705 (0.988)

3He #2౨Ј֥ 0.422 (1.084) 0.839 (1.151) 1.480 (1.031)

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KUCA

の低濃縮化の動向について

On the Status of LEU Fuel Utilization at KUCA

○宇根崎博信（京大炉）

Hironobu Unesaki

世界的に進められてきた試験研究用原子炉燃料の低濃縮化の今後の方向性として、臨界実験装置の低濃縮化に関する動きが顕在化しつつある。本報告では、KUCA の低濃縮化に関する動向として、これまでの経緯と、低濃縮化がKUCA軽水減速臨界体系の炉心核特性に与える影響に関する基礎的な評価結果を紹介する。

キーワード：KUCA、低濃縮化、低濃縮ウラン燃料、炉心核特性

１．緒言：核セキュリティに対する近年の動向を受け、米国エネルギー省（USDOE）の国家核安全保障局（National Nuclear Security Administration）では、民間における高濃縮ウランの低減化、排除（HEU Minimization, Elimination）

に向けた様々なアクションが検討されている。その中で、1980 年代より進められてきた試験研究用原子炉燃料の低濃縮化の今後の方向性として、これまで対象外であった臨界実験装置の低濃縮化に関する動きが顕在化しつつある。93％濃縮ウラン燃料を用いているKUCAについても、数年前よりUSDOE側との情報交換、協議が進められており、現在、ANLの核特性評価チームとのフィージビリティスタディに着手している。このフィージビリティスタディでは、技術的に利用可能な低濃縮ウラン燃料であるウランシ

リサイド燃料とウランモリブデン（U-Mo）燃料を検討対象として、

低濃縮ウランの利用がKUCA臨界体系の炉心核特性に与える影響、

特に臨界性についての検証を進めている^{1, 2)}。本稿では、このうち、

軽水減速架台（C架台）に対するこれまでの評価結果について述べる。

２．低濃縮ウラン燃料：C架台で使用可能な低濃縮ウラン・アルミニウム被覆板状燃料として、濃縮度19.75％のウランシリサイド（U₃Si2）分散型燃料と、U-10Mo monolithic（Mo含有率10wt％）燃料の２つの燃料タイプを想定して解析を行った。低濃縮化による反応度ペナルティに対応するため、両燃料タイプ共にウラン密度を増加させている。

３．結果・考察：解析では、SRAC-CITATIONによる一次摂動計算を用いて、高濃縮体系と低濃縮体系との反応度差を分析した。C30、C35、

C45炉心について、現行の高濃縮ウラン燃料炉心を基準とし、低濃縮 U₃Si₂燃料を用いた炉心の反応度差を図１に示す。ウラン密度 4.4～

4.8gU/ccの場合、低濃縮化による反応度変化は±4％程度に抑えられ、

現在の燃料インベントリを大幅に変更することなく低濃縮炉心を構築することが可能であると考えられる。図２に C30 炉心に対する反応度差（total成分）のエネルギー依存性を示す。ウラン密度の増加によってエネルギー依存反応度成分の絶対値は増加するが、図３に示すように、高速・共鳴・熱領域での成分の相殺によって、図１に示すような比較的小さい全反応度差が生じていることが分かる。一方、

U-10Mo燃料の場合には、同等の炉心特性を得るためには燃料ミート

部をおよそ0.16mmとする必要があり、燃料製造技術上の課題があるものと考えられる。なお、高U密度燃料を用いる場合、H/U5比の減少による中性子スペクトルの変化（硬化）が他の炉心特性に与える影響については今後の検討課題である。また、固体減速炉心については、

対象とする中性子スペクトルの範囲の広さもあり、低濃縮化が炉心核特性に与える影響は軽水減速炉心に比して顕著であることが分かっ

ており、今後、燃料製造技術上の課題抽出を含めた詳細な検討を進めることが必要である。

参考文献：1) H. Unesaki et al, "Neutronic Analysis for Utilization of Low Enriched Uranium Fuel at Light Water Moderated / Reflected Core of Kyoto University Critical Assembly (KUCA)", Proc. RERTR2012, Oct.14-17, 2012, Warsaw. 2) H.

Unesaki et al, "On the Feasibility Study for Utilization of Low Enrichment Uranium Fuel at Kyoto University Assembly (KUCA) ", Proc. RERTR2011, Oct.23-27, 2011, Santiago.

図１：低濃縮U3Si2燃料による反応度差

図２：C30炉心反応度差のエネルギー依存性

図３：反応度差バランス

-8.00%

-6.00%

-4.00%

-2.00%

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

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Reactivity Difference (Dk/k)

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1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

Reactivity Difference (Dk/k)

Energy (eV) 3.2gU/cc

3.6gU/cc 4.0gU/cc 4.4gU/cc 4.8gU/cc

Fast Resonance Thermal Total

C30 0.5862 -0.1193 -0.4754 -0.0085 C35 0.5813 -0.1002 -0.4679 0.0132

C45 0.5731 -0.0775 -0.4474 0.0482

-0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

Reactivity (Dk/k)

Reactivity Breakdown, LEU 4.8gU/cc

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December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 3

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Von Hippel, Technical Workshop On HEU Elimination, Oslo, June 17-18, 2006

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December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 5

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B Core

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Aluminum Base Side Plate

Fuel Plate

Total Height : 735mm

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570mm 600mm

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Fuel Meat

December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 10

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1 2 3 4 5 6 7 8

1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

Neutron Flux (arb.unit)

Energy (eV) HEU

LEU, 3.2gU/cc LEU, 4.8gU/cc

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3.2 3.6 4 4.4 4.8

Reactivity Difference (''k/kk)

U density (gU/cc) C30

C35 C45

December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 14

-8.00%

-6.00%

-4.00%

-2.00%

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

0 100 200 300

Reactivity Difference (''k/k)

H/U235 LEU, 3.2gU/cc LEU, 3.6gU/cc LEU, 4.0gU/cc LEU, 4.4gU/cc LEU, 4.8gU/cc

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C35 C45 C30

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-0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

Reactivity Difference (''k/k)

Energy (eV) 3.2gU/cc

3.6gU/cc 4.0gU/cc 4.4gU/cc 4.8gU/cc

C35 Fuel

December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 16

C35༓૰ƷئӳŴU

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μӒࣖࡇࠀƱӲ঺

ЎƱƷዌݣ͌Ʒࠀ ƴදॖ

-1.0E-01 -5.0E-02 0.0E+00 5.0E-02 1.0E-01 1.5E-01 2.0E-01 2.5E-01

1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07

Sensitivity coefficient / lethargy

Energy (eV)

C30 Capture C30 Fission C35 Capture C35 Fission C45 Capture C45 Fission

-1.2E-02 -1.0E-02 -8.0E-03 -6.0E-03 -4.0E-03 -2.0E-03 0.0E+00

1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07

Sensitivity coefficient / lethargy

Energy (eV)

C30 Capture C35 Capture C45 Capture

Sensitivity coefficient of U-235 to k_eff Sensitivity coefficient of U-238 to k_eff HEU --> LEU : 1) U-238فь 2) U-235 فь

1) : σᯚŴ༏᪸؏ƴƓƚǔԈӓفьᲢ᝟Უ

2) : ༏᪸؏ƴƓƚǔԈӓفьᲢ᝟Უ,ఋЎᘷفьᲢദᲴઅѣᚘምưƸ᭗ᡮ᪸؏ƴ঺Ў ƱƠƯྵǕǔᲣ

December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 18 -8.00%

-6.00%

-4.00%

-2.00%

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

12.00%

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Reactivity Difference (''k/k)

U-10Mo Meat Thickness (mm) C30

C35 C45

-4.00%

-2.00%

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

0 50 100 150 200

Reactivity Difference (''k/k)

H/U235 SRAC,U3Si2-Al, 4.8gU/cc SRAC, U-10Mo, t_meat=0.155mm

U-10Mo monolithic fuel + Al cladding, total fuel plate thickness=1.5mm U3Si2-Al 4.8gU/cc Ʊሁ̖ƷU235᣽Ѝ༓૰ȟȸȈҽ0.155mm

--> ӒࣖࡇࠀƱƠƯǋǄǅሁ̖ ͤᙌᡯɥƷСኖƋǓᲹ

C45

C35 C30

C30G0 (4 Rows) 330 fuel plates

keff =1.00107

C35G0 (4 Rows) 424 fuel plates

keff =1.00099

C45G0 (4 Rows) 544 fuel plates

keff =1.00114

47 plates

47 plates 47 plates

47 plates

47 plates 21 plates

21 plates

21 plates 21 plates

21 plates

40 plates

40 plates 40 plates

40 plates

40 plates 26 plates

26 plates

31 plates

31 plates 31 plates

31 plates

31 plates 10 plates

10 plates

10 plates 11 plates

11 plates

10 plates

Ӳ༓૰ȕȬȸȠᆔКƝƱƴˊᘙႎƳ໐࣎ᲫƭǛᢠܭ

U3Si2-Al 4.8gU/cc (t=0.5mm) ӏƼ U-10Mo monolithic (t=0.155mm) + Al ᘮᙴ

December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 20 -4.00%

-2.00%

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

0 50 100 150 200

Reactivity Difference (''k/k)

H/U235 MVP, U3Si2-Al, 4.8gU/cc MVP, U-10Mo, t_meat=0.155mm

MVP+JENDL-4

HEUЍLEUƴǑǔӒࣖ

ࡇ٭҄Ƹ -2% ᳸ +3%

'k/k; U3Si2ƱU-10Moư ǄǅӷሁƷ͌

ᐮမ໐࣎Ʒ༓૰ᘺᒵ᣽

ƷࠀီƸd20Ჟᆉࡇ

C35 ໐࣎ƷᐮမࣱƸ

HEUƱLEUƱưǄǅӷ ሁƱƳǔ

1/16" U-Al HEU ༓૰Ǜ 0.3mmҽ U-Mo ༓૰

(U235 ᣻᣽ሁ̖Უƴፗ੭

--> well-thermalized໐࣎

ưƸӒࣖࡇࠀƸݱƩƕŴ

H/U-235 ൔƷถݲƱσƴ

Ӓࣖࡇࠀƕਘٻŵ

༓૰ெҽƞƷถݲƴˤ Ə໐࣎˳ᆢƷถݲƕ݃

ɨᲹ ^0.96

0.98 1.00 1.02 1.04 1.06 1.08 1.10

0 50 100 150 200 250 300 350

k-effective

H/U-235 93% U-Al

19.75% U-9Mo monolithic, t=0.3mm

December 2012 2012࠰ࡇ໐ཋྸᄂᆮ˟Ჺʮٻ໐ ܢఌ߃Ҧ̮ 22

Alᘮᙴ˄Ɩ༓૰Ʒ੔ဇƴ ǑǔŴ໐࣎˳ᆢƷᛦ

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Alᘮᙴҽ0.3᳸0.4mm˄ ᡈưŴHEU໐࣎ƱƷӒࣖ

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๨ǕƷјௐƱƷ᧙̞Ჹ

0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 1.06 1.08 1.10

0 0.02 0.04 0.06

k-effective

Clad Thickness (cm)

EEE1 core EE1 core E1 core E2 core E3 core

᠉൦ถᡮ௚ӨᲴଏ܍২ᘐưƋǔǦȩȳǷȪǵǤȉ༓૰Ʒ

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ドキュメント内 KUGSiKUCA Program (ページ 159-176)