原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

FBR燃料・炉心設計の特徴を考慮した燃料配置最適設定手法の開発

１．研究開発の背景とねらい

　高速増殖炉（以下「FBR」という。）の経済性向上のためには、多くの燃料を燃焼度制限まで効率よく使い、取出平均燃焼度を向上させることが重要であり、そのためには炉心内での燃料配置の最適化が必要である。軽水炉では燃料配置最適化の研究が精力的に行われ、計算機による最適化ツールも開発されていることも踏まえ、本研究では、「もんじゅ」を例として、FBRにおける燃料配置最適化の手法を開発し、実用炉への適用性を検討することを目的とする。

２．研究開発成果

　本事業は、上記の目的を達成するため、平成21年度から24年度までの4ヵ年で実施する計画である。表1に事業全体の計画工程を示す。

表1 事業全体計画工程

　平成21年度は実施項目�Tの内、①炉心特性データの作成及び②設計条件等の整理を実施し、これらの結果を踏まえ、平成22年度に実施する応答特性解析方針を検討した。以下に平成21年度の成果を中心にまとめる。

①炉心特性データの作成
　「もんじゅ」及びFBR実用炉を代表炉心として、燃料配置の最適化で考慮する炉心の設計条件等を設定するために必要となる出力分布等の炉心特性データを解析評価した。具体的には、代表的な設計条件に基づいた炉心特性を解析し、燃料最高線出力密度等の出力分布、燃焼度分布、高速中性子束分布、ナトリウムボイド反応度分布、反応度係数等を評価した。
　解析評価に基づき、燃料配置の最適化で考慮する炉心の設計条件等を設定するために必要となる燃料配置や燃料の燃焼に依存した炉心特性の変動を含む炉心特性データを作成した。

表2 FBR燃料配置最適化で考慮すべき設計条件,
制約条件,設計目標,検討パラメータ及び目的関数

②設計条件等の整理
a.設計条件等の選定
　①で作成された炉心特性データをもとに、FBRの燃料・炉心設計の範囲において、燃料配置の最適化で考慮すべき設計条件等を選定した。（表2参照）
　FBRの燃料・炉心設計で考慮する設計条件、制約条件、設計目標の中から、燃料配置の最適化において最大化あるいは最小化を図る炉心特性値（目的関数）として、設計目標である取出平均燃焼度及び増殖比並びに制約条件である最高線出力密度や最高燃焼度等を選定した。また、燃料配置の最適化の検討パラメータとして、燃料配置、Pu富化度及び燃料組成等を選定した。

b.設計条件等の相関関係の整理
　燃料配置の最適化において、炉心の取出平均燃焼度等の最大化を図る炉心特性値（目的関数）や燃料最高線出力密度等の最小化を図る炉心特性値（目的関数）の優先度を明確にするため、選定された設計条件等の物理的な相関関係を整理した。
　物理的な相関関係から、取出平均燃焼度の最大化及び燃料最高線出力密度等の最小化のためには燃料配置とPu富化度を適切に設定することによる出力分布の平坦化が必要であること、及び増殖比の最大化のためにはPu富化度の最小化が必要であることが分かった。これらの出力分布平坦化とPu富化度最小化は両立が可能と考えられることから、燃料配置の最適化において基本的には目的関数の優先度を考慮する必要がないことが明らかとなった。

③応答特性解析方針の検討
　今後、実施する応答特性解析については、目的関数と検討パラメータの関係を定量的に把握する予定である。ここで、取出平均燃焼度及び増殖比については、技術的な課題が少ない範囲で設計条件の一部を変更することにより、より効果的な最適化が図られる可能性がある。このような既存の設計の範囲を越える改良設計を導入するに当っては、その効果を把握しておく必要があることから、今後、実施する応答特性解析において影響評価を行うこととし、以下にその方針の検討結果をまとめた。
　まず、取出平均燃焼度の向上に対しては、炉心燃料のシャッフリングができない条件では、炉内滞在期間の延長を図る必要がある。これを実現する方策としては、直接的には運転サイクル期間の延長を図る他に、最高燃焼度や高速中性子照射量の制約条件に余裕がある集合体位置での炉内滞在サイクル数（すなわち、バッチ数）を増やす運用は実現可能と考えられるため、改良設計として検討する（可変バッチ）。また、取出平均燃焼度を増加させることにより、熱的な制約条件が厳しくなることから、出力分布を平坦化させることが必要となる。このため、燃料交換計画（燃料配置、Pu富化度設定）を最適化することに加えて、FBRの既存設計では制御用制御棒は同一挿入量を想定し炉心の余剰反応度を制御している方式に対して、BWRのように積極的に挿入状態を変えて出力分布をコントロールする運用を改良設計として検討する。
　次に、増殖比の向上に対しては、Pu富化度を低減することが重要であるが、その他に、ブランケット燃料に関する設計変更が考えられる。Pu富化度を低下させるためにはサイクル初期の計画余剰反応度を低減すれば良い。すなわち、燃焼に伴う炉心反応度の欠損分を丁度補償できる余剰反応度を与え、過剰な運転余裕を取らない設計について検討を行う。また、ブランケット燃料については、例えば、ブランケット燃料集合体数や軸方向ブランケット燃料のスタック長、あるいは、ブランケット燃料のペレット密度の増加等により重金属装荷量を増やすことが有効である。しかし、これらの重金属装荷量を増やす方策は、炉心・燃料仕様の変更が必要となる他、炉心全体で見た取出平均燃焼度が減少するため、今回は検討範囲外とする。ブランケット燃料は炉心燃料と比べ、高速中性子照射量が少なく、燃料を再配置できる可能性が高い。ブランケット燃料集合体の中でも比較的中性子束が高い位置に新燃料を装荷し、サイクル毎に中性子束の低い位置に移動させて行くことにより、増殖比を増加させることができると考えられるため、ブランケット燃料集合体のシャッフリングについて、改良設計としてその効果を確認することとした。
　表3にFBR燃料配置の最適化を図る上での指標（目的関数）と上記の最適化方策を整理した。

表3 FBR燃料配置の最適化の指標（目的関数）と上記の最適化方策と目的

　なお、平成22年度に実施した影響評価によれば、ブランケット燃料集合体のシャッフリングについては、増殖比を増大させる効果は小さく、むしろ、出力分布の平坦化につながることが分かった。図1に「もんじゅ」においてブランケット燃料集合体をシャッフリングしたことによる出力分布平坦化の効果を示す。ブランケット燃料集合体の出力は、熱的上限目安に対して2から5割低くなり、その分だけ余裕が生じることになる。ここで、ブランケット燃料集合体は炉内滞在期間が長くなる程出力が上昇することから、現状、炉内滞在期間を5サイクルとしているブランケット燃料集合体を、例えば6サイクル滞在とすることにより、ブランケット燃料集合体の出力分担が増加し、炉心燃料集合体の出力分担を減少させることができる。すなわち、表3で示したように、炉心燃料集合体に生じた熱的余裕を運転サイクル期間の延長に振り向けることによる取出平均燃焼度の向上が期待できると考えられる。

図1 「もんじゅ」でのブランケット燃料集合体のシャッフリングによる出力分布平坦化

３．今後の展望

　平成21年度の検討結果を踏まえ、平成22年度から、検討パラメータ（燃料交換パターンやPu富化度等）に対する目的関数（取出平均燃焼度や最高線出力密度等）の応答特性を定量的に評価し、燃料配置の最適化時における炉心特性予測のための定式化を行う予定である。
　また、種々の最適化基礎理論の中からFBRの燃料配置の最適化に適合するアルゴリズムについての検討に着手し、有望と考えられるアルゴリズム、あるいは複数のアルゴリズムの組合せについて具体的な最適化解析を行うことで、適用性を明らかにして行く。