近畿大学炉におけるトリウム体系の臨界実験と解析

近畿大学原子力研究所年報 V 01.  22 (I985) 

茎 j

近畿大学炉におけるトリウム体系の臨界実験と解析

敬 一 郎 * 正 俊**

土 橋 林 太 ，

ー→**

治**

良 信 啓 木 原 三 石 神 夫 ，

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治**

哲 圭 誠 藤 林 谷 伊

代 田

Critical Experiment and Analysis on Thorium Assembly in  Kinki University Reactor‑UTR‑KINKI 

Tetsuo ITOH， Ryota MIKI， Keiichiro TSUCHIHASHI*，  Keiji  KOBA Y ASHI*~へ Shinji ISHIHARA 

* * ，  

M aS;a.toshi  H A  Y ASHI**

， 

Seiji  SHIROY A ** and Keiji  KANDA ** 

(Received October 12， 1985) 

Integral critical experiments on enlarged thorium assemblies  (3 x 3 elements) which are set  up  in  the  cen ter  of the enlarged cen tral  vertical  s tringer， 16. 4 x 16.4 x 122cm， loca ted in  the  internal graphite ref1ector between two fuel tanks of Kinki University Research Reactor， UTR‑

KINK ，Ihas been performed as  a complement to  the  experiment  in  Kyoto  University  Critical  Assembly， KUCA， to check and evaluate the nuc1ear data on thorium and calculation methods.  En‑ larged thorium assemblies are composed of square thorium metal plates and square graphite plates. 

The experiments inc1ude the followings: (1)  Measurement of reactivity  of  various  enlarged  thorium assemblies， (2)  Measurement of relative neutron flux distribution (Au foi1 reaction rate  distribution)  in various enlarged thorium assemblies. 

Calculations on reactivity and neutron f1ux distribution of various enlarged thorium assem‑ blies were carried out by SRAC code system. 3‑D diffusion and 2‑D SN transport， on  X‑Y‑Z  and R‑Z geometries. 

Experimental resu1ts on reactivity effects  and neutron flux distribution of various  thorium  assemblies are in good agreement with calculated values. 

KEYWORDS 

integral critical experiment， thorium assembly， nuc1ear data， thorium metal plate， UTR‑KINKI，  neutron f1ux distribution， reactivity effects， SRAC code system. 

は， トリウム燃料原子炉の設計計算の検証に必要なト リウムの核的性質に関するデータの蓄積を目的として いる。

近畿大学原子炉 (UTR‑KINKI)は，90%濃縮ウラ ン軽水減速黒鉛反射非均質型熱中性子炉であり，炉心 が互いに46cm隠てられた2分割型炉心であるため，

緒 昌

1 .  

近畿大学炉における臨界実験によるトリウムの研究

‑ 15‑

本日本原子力研究所東海研究所 料京都大学原子炉実験所

2つの炉心に挟まれた領域(中央黒鉛反射体部)が広 く，熱中性子束もこの領域でほぼ平坦な分布をしてい る。従って乙の領域の照射場を利用して原子炉物理実 験用の種々の体系を組み込む乙とが可能である。近畿 大学原子炉の炉心平面図をFig.1 !(示す。

UTR‑KINKI における実験と京都大学原子炉実験 所臨界集合体 (KUCA)における一連の種々のトリウ

ム臨界実験とは互いに相補的な関係にあり，本研究で は， Fig.1  !ζ示す中央黒鉛反射体部に新たに設けた 16.4cm x 16. 4cm x 122cmの拡大ストリンガーを引き 抜いた領域に， KUCAにおけるトリウム臨界実験で 使用されたものと同一寸法のアルミ角ケースを， 3行 x3列，合計9本挿入し，アルミ角ケースの内部に種 々のトリウム体系を組み込んで臨界実験を行ない，反 応度効果及び中性子束分布を測 定した。炉心中心の拡大ストリ

ンガーを引き抜いた領域の拡大 図を Fig.2!(示す。

また日本原子力研究所で開発 された JAERI Thermal  Re‑ actor Standard Code System  (SRACコード・システム)を 用いて3次 元 拡 散 及 び 2次元 SN輸送計算でトリウム体系を 含む炉心解析計算を行ない，実 験結果と計算値を比較した。

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Th‑1  11/8‑in.Th metal 

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2 . 実 験 方 法

実験に用いたトリウム体系は，

アノレミ角ケース内にトリウム金

718 

Th‑metal plate intervalー1/γ

Th‑2 

I11111 

￨ I   I  I  I 

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日

￨ I   1 " I I I 

(unit ; mm) 

Fig. 3 Loading  patterns  of  graphite  plates and thorium metal plates  in each thorium assembly unit 

Vol.  22 (1985) 

属板 (2グX2"x1/8つ と 黒 鉛 板(2"xγx1/2"， 1

ヘ

2つを種々組み合わせ， トリウム金属板間隔を1/2勺 1

ぺ

2"，3"及びどとしてそれぞれ5回繰り返したパ ターンがアルミ角ケースの中心に位置するように装填 したもので， トリウム金属板は各ケースすべて 5枚， 合計45枚とした。 3行x3列の9本のアルミ角ケース 内はすべて同じ配列である。種々のトリウム体系のト

リウム金属板と黒鉛板の装填図をFig.3 iζ示す。

(1)  反応度効果の測定

臨界実験による反応度効果の測定は， Th‑1‑‑Th‑5  体系を炉心l己組み込んだ場合の原子炉の持つ余剰反応 度 (Pex)を正ペリオド法によって測定し， トリウム 金属板を含まない黒鉛基準体系と比較するととによ り，反応度効果を求めた。更にトリウム金属板同士の 干渉効果を検討するために， Fig.3に示す各アノレミ角 ケースの種々の位置にトリウム金属板を1枚ずつ挿入 した体系(トリウム金属板合計9枚)を作り，同様に して反応度を測定し，個別的に測定した各トリウム体 系の反応度効果(三Piく9Th‑plates))の和と対応す るトリウム体系の反応度効果(ρく45Th‑plates))と比 較した。

(2)  中性子束分布の測定

中性子束分布は， Fig.  3 i乙示す Th‑3，Th‑4， Th‑

5体系及びトリウム金属板を含まない黒鉛体系につい て，裸の金箔を用いて全エネノレギーでの中性、子との相 対反応率として求めた。照射は，視の金箔(直径9mm， 厚さ 50.μ)を各体系のアノレミ角ケース中心から γ 間 隔で3行x3列トリウム体系の中央のケースの中心に 貼り付け，原子炉熱出力 1.0Wで1.5時間行なった。

金箔の測定は，ウエJレ型ジンチレージョンカウンター を用いた。更に金箔を 1"間隔で同時照射した場合の 金箔同士の干渉効果について検討するため，黒鉛体系 において1/2"間隔で同時照射した場合， また黒鉛体 系および Th‑5体系においてど間隔で金箔を貼り付 け1"ずつ高さ方向に順次ずらして照射した場合の計 数率をγ間隔で同時照射した計数率と比較した。

3 .   SRAC コード・システムに よる解析計算

実験を実施した各トリウム体系についての炉心解析 計算は， SRACコード・ジステムを用いておとなっ た。使用した核データ・ライブラリーは，日本原子力 研究所におけるベンチ・マーク・テストの結果から ]ENDL‑2 (U‑238， Th‑232， Al‑27) ， ENDFjB‑V 

近畿大学原子力研究所年報 (U‑235)及びENDF/B‑IV(前記以外の核種)の組み 合わせを用いた。

(1)  各体系の実効増倍係数 (keff)の計算 トリウムを含まない黒鉛体系及び各トリウム体系に おける全炉心に対する kef fを求めるための計算手順 を以下に述べる。

第1段階多群定数(速中性子領域22群，熱中性子 領域31群)を作成するためのセJレ計算 を， (a)単一燃料板，被覆材及び冷却材か ら成る燃料領域モデル (b)単一トリウム 金属板と黒鉛板から成るトリウム領域モ デ、ルについてそれぞれ衝突確率計算コー ド(OneDimensional Slab Geometry)  によっておこなった。

第2段階 多群定数から少数群定数を作成するため の炉心計算を， トリウム体系，黒鉛反射 体，燃料領域及び生体遮蔽タンクを含 むモデルについて 1次元拡散コード TUD (One  Dimensional  Cy lindrical  Geometry) Iとよりおとなった。

第3段階 トリウムを含まない黒鉛体系及び各トリ ウム体系における全炉心に対する kef f 

の計算を多次元拡散コード CITATION (Three Dimensional Slab Geometry)  lとより，少数群(10群及び2群)につい て実施した。

(2)  各体系の中性子束分布の計算

種々のトリウム体系における中性子束分布は，各体 系中心における金箔の反応率を以下の手順で計算し fこ。

第1段階多群定数(速中性子領域22群，熱中性子 領域31群)を作成するためのセル計算 を，単一燃料板，被覆材及び冷却材から 成る燃料領域モデルについて衝突確率計 算コード (OneDimensional Slab  Ge‑ ometry)によっておこなった。

第2段階 トリウムを含まない黒鉛体系及び各ト リウム体系中心における金箔反応率を 求める計算を 2次 元 SN輸送コード TWOTRAN (Two Dimensional Cylin‑ drical Geometry)により，少数群(16 群)について実施した。 2‑D(R‑Z)の 計算に用いたリング・コアー・モデルを Fig.4 iと示す。

‑ 17ー

4 .   実験結果及び計算結果

(1)  各トリウム体系の反応度効果

トリウム金属板無し，アノレミ角ケース無しの場合の ke f fを基準にして，各トリウム体系 (Th‑1‑‑Th‑5) を組み込んだ場合の kef f との差 (-~k) として示し た実験値と計算値をTable1及び Fig. 5に示す。

トリウム金属板間隔 2"のTh‑3体系のームkが最も 大きしとれよりも間隔が広くても，あるいは狭くて もームkは減少するという結果となり，また C/Eか ら実験値と計算結果とは極めて良い一致を示した。

また Th‑3体系のームkが最大となる原因を明らか iとする目的で， トリウム体系を構成する9本のアノレミ

z 

角ケース内の同じ高さにトリウム金属板を 1枚ずつ合 計9枚挿入して，順次各トリウム体系のトリウム金属 板の高さに合った位置での -~k を測定し， その値を 合算してトリウム金属板を45枚の各体系でのームkを 求めた値と， トリウム金属板45枚1度に挿入した各体 系でのームkの値とを比較し， トリウム金属板間の間 隔の違いによる干渉効果について検討した。その実験 結果を Fig.6に示す。図中O印とム印は， トリウム 金属板無し，アJレミ角ケース有りの場合の keffを基 準にして示したームkであり x印は Fig.5で示し たトリウム金属板無し， アルミ角ケース無しの kef f 

を基準にして示したームkである。 Fig.6中の

O

印と ム印の二つの曲線の差は主にトリウム金属板同士の干 渉効果によるもので， トリウム金属板間隔が 1/2"の

61.0 

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Al+Water( 1)  Graphite reflector 

Fuel+AI+Water 

Biological  shield 

28.7  34.8  72.8  89.3  Horizontal distance from center(cm) 

Fig. 4:  Model for  2‑D  (R‑Z)  core  calculation  (Th‑5 assembly) 

R 

Table 1 Reactivity differences between each thorium assembly and standard  (no thorium) assembly 

Reactivity differences (‑~k X 10‑3) 

Th metal  C/E 

Th assembly  Cal.  value  Plate  interval  Exp. value 

2‑Group  10‑Group  2‑Group  10‑Group  Th‑1  1/2"  7.24  7.15  7.07  0.987  0.976  Th‑2  1"  7.48  7.47  7.43  0.999  0.993  Th‑3  2"  7.67  7.68  7.65  1.001  0.997  Th‑4  3"  7.54  7.48  0.992 

一

Th‑5  4"  7.23  7.34  7.23  1.015  1.000 

ーーーー』

Vol.  22 (1985) 

‑Jk 

(x 10‑3)  7.70  7.60  7.50  7.40  7.30  7.20  7.10 

o 

Exp.value 

x  z 

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O 

安

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A  7.00 

Th‑l  Th‑2' Th‑3  . Th‑4 . Th‑5  Fig. 5 Reactivity differences  between  each 

thorium assembly and standard (no  thorium) assembly 

‑4k 

(XIO‑3) 

0.6  0.7  0.8  0.9  1.0  Relative Au foil  reaction rate  Fig. 7 Relative Au foil  reaction rate  distri‑

bution  in  graphite  assembly  (no  thorium) 

ヲ x 

近畿大学原子力研究所年報 (2)  各トリウム体系の中性子東分布

トリウム金属板を含まない黒鉛体系及び 各トリウム体系(Th‑3，Th‑4， Th‑5)の炉 心垂直方向相対 Au箔反応率分布の実験 結果と計算結果を， Fig.7‑‑Fig.10に示す。

図中の

O

印は，各体系中心において金箔を γ 間隔に配置して照射した実験値であり，

ム印は， SRACコード・システムを用いて 計算した結果である。実験値と計算値を比 較するため，体系の上下方向の中心を規格 点とした。なお，実験値の誤差は，計数誤 差，重量測定誤差等を含め最大土25ぢ程度 である。いずれの体系においても実験値と 計算値とはかなり良い一致を示した。

また，金箔を 1"間隔で同時照射した場 合の金箔同士の干渉効果については，黒鉛 体系及びTh‑5体系において実験値はほぼ

x. 

30  f 

× 

)c. (45Th‑plates+Al‑case) 

3

 

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4.5 

Th‑l' Th‑2' Th‑3' Th‑4' Th‑5  Fig. 6 Reactivity  differences between 

each  thorium  assembly  and  誤差範囲以内で一致し，干渉効果はほとんど認められ standard(no thorium) assembly  なかった。黒鉛体系において，金箔をそれぞれ1/2"

間隔同時照射， 1"間隔同時照射及びど間隔4分割同 時の差が最も大きしまたトリウム金属板間隔が 2" 時照射，また Th‑5体系において，金箔をそれぞれ 以下で急速に干渉効果が大きくなるととが判った。な 1"間関同時照射及びど間隔4分割同時照射した場 おFig.6中のム印と×印の差はアルミ角ケースによ 合の炉心垂直方向 Au箔反応率分布を， Fig.  11及 る反応度の差である。 びFig.12  Iと示す。

‑ 19ー

Cal. 

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Exp.:  x 

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Th\~~ エ No~alizingpoint  0.7  0.8  0.9  1.0  1.1 

Relative Au foil reaction rate 

Fig. 10 Relative Au foil  reaction rate  distribution in Th‑5 assembly 

(Th metal plate interval‑4‑in.) 

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30 

Cal.: • Exp.:  x 

Th¥^古

0.9  1.0  1.1  Relative Au foil  reaction rate  Fig. 8 Relative Au foil  reaction  rate 

distribution  in  Th‑3 assembly  (Th metal plate interval‑2‑in.) 

0.8  20 

10 

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Au foil interva1‑1/2"in. : •

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0.9  1.0  1.1  x10² 

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6  7  8 

Count rate (Counts/min/mg)  Fig. 11  Au foi1 reaction rate distribution 

in graphite assembly (no thorium，  Au foi1  intervalー 1/2‑in.， トin. and 4‑in.) 

9 

ハυ

0.7 

Relative Au foil reaction rate  Relative  Au foi1  reaction rate  distribution in  Th‑4 assembly  (Th metal plate interval‑3‑in.) 

0.8 

。

Fig.9 

近畿大学原子力研究所年報 は，使用した Th核データは実用的に問題がなく，ま た計算手法もこの種の体系に充分適用性を持っととを 確認した。

Vol.  22 (1985) 

本研究は，文部省科学研究費エネルギー特別研究

「トリウム燃料に関する総合的研究J(代表者柴田俊 一京大教授)の一部として実施したものである。

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Au foil interval‑l‑in. :  Au foil interval‑4‑in. : 

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80 

X.  Th→ 似

献

1)  R. Miki and T. Itoh: Experiment on a small  thorium assembly in UTR‑KINKI.Research  on Thorium Fuel" SPEY 9 (Jan. 1984)  2)  K. Tsuchihashi et a1.: SRAC: JAERI Thermal 

Reactor  Standard  Cord System for  Reactor  Design and Analysis. JAERI1285 (Jan.1983)  3)  K.  Kanda et  a1.: CRITICAL EXPERIMENT 

WITH THORIUM  USING KUCA. THO‑

RIUM FUEL REACTORS"， The Atomic  En‑ ergy Society of Japan (Feb. 1985) 

4)伊藤哲夫，三木良太他:近畿大炉におけるトリウ ム体系の臨界実験(I)，日本原子力学会「昭和59年 秋の分科会」要旨集， B65 (1984) 

5)三木良太，伊藤哲夫:近畿大炉におけるトリウム 臨界実験と解析，文部省科学研究費エネルギー特 別研究「トリウム燃料に関する総合的研究」報告 書.(1985) 

6)伊藤哲夫，三木良太他:近畿大炉におけるトリウ ム体系の臨界実験(II)，日本原子力学会「昭和60年 秋の分科会」要旨集， B30 (1985) 

文 参 考

<< 

x 102 

トリウムを含まない黒鉛体系及びトリウム体系の反 応度効果及びその中性子束分布測定を通じて，一道扮 近畿大炉におけるトリウム体系の臨界実験の結果と SRACコード・システムを用いた解析計算結果とは，

極めて良く一致しており，これらの積分実験の範囲で

" 

‑λ  Th、 ー回」ー一

7  8  9  10  11 

Count rate (Count/mm/mg) 

Fig.  12  Au foil  reaction  rate  distribution  in  graphite  assembly  (Th‑metql  plate interval‑4‑in.， Au foil  intervalー トin.，4‑in.)

5 .  

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結 論

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