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Development of simple method to incorporate out-of-core cooling effect on thorium conversion in multi-pass fueled reactor and investigation on characteristics of the effect

多重燃料装荷炉心におけるトリウム転換に対する炉外冷却効果を考慮するための簡易手法の開発と炉外冷却効果の特性の研究

深谷 裕司

Fukaya, Yuji

多重燃料装荷炉心におけるトリウム転換に対する炉外冷却効果を考慮するための簡易手法と炉外冷却効果の特性の研究を行った。溶融塩増殖炉やぺブルベット高温ガス炉のような多重燃料装荷炉心では、燃料は炉内を移動し炉外へ排出される。炉外滞在時には核種の減衰が起こるため、その特性が顕著な場合は考慮される必要がある。本研究ではトリウム転換を正確に評価するため$$^{233}$$Paの炉外冷却を考慮する。本研究では、この効果を考慮するために、炉外冷却の模擬を行わなくても炉外冷却時と同等の$$^{233}$$Paの平衡濃度を実現できる実効崩壊定数を提案する。この実効崩壊定数により、炉外冷却の効果がセル燃焼計算により生成されるマクロ断面積を用いるコードシステムでも、システムの変更を一切行うことなく考慮することができる。また、トリウム転換に対する炉外冷却効果の特性を溶融塩増殖炉とぺブルベット高温ガス炉について検討した。その結果、炉内の燃料塩流速の早い溶融塩増殖炉の転換性能の向上には適している一方で、炉内滞在期間が100日程度であり、$$^{233}$$Paの半減期の27日よりも長いぺブルベット高温ガス炉ではその効果は顕著ではなく、転換比の劇的な改善につながらないことがわかった。

Development of a simple method to incorporate the out-of-core cooling effect on the thorium conversion in multi-pass fueled reactors and investigation on characteristics of the effect have been performed. For multi-pass fueled reactors, such as Molten Salt Breeder Reactor (MSBR) and Pebble-Bed Modular Reactor (PBMR), fuel moves in the core and exits from the core. The nuclides decay also out of the core, and it should be also considered if it is important for core characteristics. In the present study, $$^{233}$$Pa is considered to evaluate the thorium conversion accurately. To take the effect into account, in the present study, an effective decay constant is proposed to make equilibrium concentration of $$^{233}$$Pa without out-of-core cooling equal to that of out-of-core cooling. With the effective decay constant, the out-of-core cooling effect can be incorporated even with the code system using macroscopic cross sections generated by cell burn-up calculations without any code modification. In addition, the characteristic of out-of-core cooling effect for the thorium conversion is evaluated for thorium fueled reactors of MSBR and PBMR. It is concluded that the out-of-core cooling effect is suitable for MSBR to enhance thorium conversion because of the fast flow rate of fuel salt. On the other hand, the effect is not important and not realistic to employ for PBMR because the in-core residence time of approximately 100 days is longer than the half-life of $$^{233}$$Pa of 27.0 days, and the effect cannot improve the conversion ratio drastically.

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