JP5787548B2

JP5787548B2 - インベントリ算出方法およびインベントリ算出装置

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Publication number: JP5787548B2
Application number: JP2011038434A
Authority: JP
Inventors: 研一吉岡; 恵美子廣瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: JP2012173262A

Description

本発明は、使用済燃料集合体からの放射性廃棄物の放射能量（インベントリ）を算出するインベントリ算出方法およびインベントリ算出装置に関する。

原子力発電所から発生する使用済燃料集合体のうち燃料以外の放射性廃棄物は、燃料中の核分裂生成物や超ウラン元素からなる放射能レベルの高い「高レベル放射性廃棄物」に比べると放射能レベルが低く、「低レベル放射性廃棄物」に分類される。低レベル放射性廃棄物の中でも、燃料棒の部品などの超ウラン（TRansUranium）元素を含む「ＴＲＵ廃棄物」については、５０〜１００ｍの比較的深い地下に処分される「余裕深度処分」や、３００ｍ以下の深い地下に処分される「地層処分」と呼ばれる処分方法が考えられている。

これらＴＲＵ廃棄物の環境への影響や合理的な処分上設計のためには、廃棄物に含まれる放射能量（インベントリ）を精度よく評価し、放射線源（ソースターム）を決定する必要がある。これらのソースタームの決定においては、重要核種の生成量評価が必要である。代表的な重要核種としては、Ｃ−１４、Ｃｌ−３６、Ｃｏ−６０などがある。ソースタームの評価は重要であるが、発電所毎に異なる運転履歴や燃料の設計の違いにより変化するため、使用済み燃料からの重要核種生成量を評価するには多くの情報が必要となる。

電気事業連合会・核燃料サイクル開発機構、「ＴＲＵ廃棄物処分技術検討書 −第２次ＴＲＵ廃棄物処分研究開発取りまとめ−」、２００５年 A. G., Croff、"ORIGEN2: A Versatile Computer Code for Calculating the Nuclide Compositions and Characteristics of Nuclear Materials"、Nuclear Technology、62、p.335-351、１９８３年 Y. Ando他、"Development and Verification of Monte Carlo Burn up Calculation System"、ICNC2003、JAERI-Conf 2003-019 (Part II)、p.494、２００３年原子力安全研究協会実務テキストシリーズＮｏ．３「軽水炉燃料のふるまい」、財団法人原子力安全研究協会、１９９８年７月

放射線源（ソースターム）の評価には、被覆管などの製造ロット毎に異なる可能性のある母材の微量元素の同定、燃料の初期濃縮度、燃焼度、運転履歴、燃料構造の情報が必要である。さらに、放射化計算には、原子炉物理に基づく高度な知識および技術が必要である。したがって、これらに精通していない他分野の技術者には、ソースタームを評価することは困難である。

一方、処分場設計においては、様々なシナリオの下に発生する使用済み燃料の発生量を基にソースタームを決定し、迅速に周辺影響評価を行う必要がある。このため、簡便なインベントリ評価法は、実用上有効である。

そこで、本発明は、簡便なインベントリ算出法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、燃料を収納した複数の被覆管を束ねた燃料集合体を炉心に装荷した後に取り出した使用済燃料集合体の核種総インベントリを算出するインベントリ算出方法において、前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかの一次式で前記燃料集合体１体当たりの核種総インベントリを表現した核種インベントリ関数に前記使用済燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかを代入して前記使用済燃料集合体の核種総インベントリを算出する使用済燃料集合体核種総インベントリ算出工程、を有し、前記使用済燃料集合体核種総インベントリ算出工程は、前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれか、出力密度、燃焼度、燃料タイプ、構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの前記燃料が収納された軸方向領域である燃料有効部の核種インベントリを算出する燃料有効部核種インベントリ算出工程と、前記燃料集合体の出力密度、および燃焼度から照射日数を算出する照射日数算出工程と、前記燃料集合体の初期濃縮度、出力密度、燃焼度から前記燃料有効部の中性子束を算出する燃料有効部中性子束算出工程と、前記燃料有効部中性子束算出工程で算出した中性子束と前記燃料集合体の軸方向中性子束分布とから前記燃料集合体の燃料有効部の軸方向外側領域である燃料有効部外での中性子束を算出する燃料有効部外中性子束算出工程と、前記燃料有効部外中性子束算出工程で算出した中性子束と前記照射日数算出工程で算出した照射日数と前記燃料有効部外の構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの燃料有効部外の核種インベントリを算出する燃料有効部外核種インベントリ算出工程と、前記燃料有効部核種インベントリ算出工程で算出した前記燃料有効部の核種インベントリと前記燃料有効部外核種インベントリ算出工程で算出した前記燃料有効部外の核種インベントリとを合計して前記燃料集合体の核種総インベントリを算出する核種総インベントリ算出工程と、前記核種総インベントリ算出工程で算出した前記燃料集合体の核種総インベントリと、前記燃料集合体の初期濃縮度および取出し燃焼度のいずれかとの相関に基づいて前記インベントリ関数を導出するインベントリ関数導出工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、燃料を収納した複数の被覆管を束ねた燃料集合体を炉心に装荷した後に取り出した使用済燃料集合体の核種総インベントリを算出するインベントリ算出装置において、前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかの一次式で前記燃料集合体１体当たりの核種総インベントリを表現した核種インベントリ関数を記憶した核種インベントリ算出関数記憶部と、前記使用済燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかが入力される入力部と、前記使用済燃料集合体の初期濃縮度、出力密度、照射日数および燃料有効部外の初期先行核種量が入力されるデータ入力部と、前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれか、出力密度、燃焼度、燃料タイプ、構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの前記燃料が収納された軸方向領域である燃料有効部の核種インベントリを算出する燃料有効部インベントリ演算部と、前記燃料集合体の出力密度、および燃焼度から照射日数を算出する照射日数演算部と、前記燃料集合体の初期濃縮度、出力密度、燃焼度から前記燃料有効部の中性子束を算出し、算出した前記中性子束と前記燃料集合体の軸方向中性子束分布とから前記燃料集合体の燃料有効部の軸方向外側領域である燃料有効部外での中性子束を算出する中性子束演算部と、前記中性子束演算部で算出された中性子束と、前記照射日数演算部で算出された照射日数と、前記燃料有効部外の構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの燃料有効部外の核種インベントリを算出する燃料有効部外インベントリ演算部と、前記燃料有効部インベントリ演算部が算出した燃料有効部核種インベントリと、前記燃料有効部外インベントリ演算部が算出した燃料有効部外核種インベントリとを合計して燃料集合体の核種総インベントリを算出する燃料集合体インベントリ演算部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、簡便なインベントリ算出法を提供するができる。

本発明に係るインベントリ算出方法の一実施の形態のフローチャートである。本発明に係るインベントリ算出方法の一実施の形態を用いたインベントリ算出装置のブロック図である。本発明に係るインベントリ算出方法の一実施の形態における核種インベントリ算出関数の導出方法のフローチャートである。本発明に係るインベントリ算出方法の一実施の形態における初期濃縮度−核種総インベントリ関数の例を示すグラフである。本発明に係るインベントリ算出方法の一実施の形態における取出燃焼度−核種総インベントリ関数の例を示すグラフである。

本発明に係るインベントリ算出方法の一実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。

図２は、本発明に係るインベントリ算出方法の一実施の形態を用いたインベントリ算出装置のブロック図である。

このインベントリ算出装置１０は、入力部１１と、核種インベントリ算出関数記憶部１２と、核種インベントリ演算部１４と、核種インベントリ積算部１６と、を有している。また、インベントリ算出装置１０は、核種インベントリ算出関数作成部２０を有している。核種インベントリ算出関数作成部２０は、データ入力部２２と、中性子束演算部２４と、照射日数演算部２６と、燃料有効部インベントリ演算部２８と、燃料有効部外インベントリ演算部３０と、燃料集合体インベントリ演算部３２と、核種インベントリ算出関数導出部３４とを有している。

インベントリ算出装置１０は、たとえば１台の計算機上に構築される。核種インベントリ算出関数作成部２０のみを外部の計算機上に設けてもよい。

図１は、本実施の形態のインベントリ算出方法のフローチャートである。

このインベントリ算出方法は、埋設処分場のソースターム決定のために、使用済燃料集合体の核種総インベントリを算出する方法である。燃料集合体は、燃料を収納した複数の被覆管を束ねたものである。使用済燃料集合体とは、燃料集合体を原子炉の炉心に装荷した後に取り出したものである。

発電所立ち上げ時の初装荷炉心や、燃料交換計画において早期に取り出さざるを得なくなった燃料集合体を除くと、ほとんどの燃料集合体は、設計された平均取出燃焼度付近で炉心から取り出されることが多い。平均取出燃焼度は、燃料タイプが同じであれば、同じに設計されることがほとんどである。ここで、燃料タイプとは、燃料集合体の基本的構造の種類である。沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に装荷される燃料集合体の場合、燃料タイプにとしては、ＳＴＥＰ−Ｉ、ＳＴＥＰ−ＩＩ、ＳＴＥＰ−ＩＩＩと呼ばれるものがある（たとえば非特許文献４参照）。あるいは、８×８燃料、９×９燃料などと呼ばれる燃料タイプものもある。

燃料集合体の改良がされる場合、すなわち、新しい燃料タイプの燃料集合体が導入される場合、一般的に、高燃焼度化によって取出燃焼度が増加する。この取出燃焼度の増加は、燃料集合体に収納されるウランの初期濃縮度と相関がある。この取出燃焼度あるいは初期濃縮度と核種インベントリとの相関は、簡易な式で表現できることが見出された。そこで、本実施の形態では、この簡易な相関式を用いて、核種インベントリを算出する。

まず、本実施の形態のインベントリ算出方法では、使用済燃料集合体１体当たりの核種総インベントリを表現した核種インベントリ算出関数を作成する（Ｓ１）。核種インベントリ関数は、核種インベントリ算出関数作成部２０が作成し、核種インベントリ算出関数記憶部１２に記憶される。

核種インベントリ算出関数としては、初期濃縮度−核種総インベントリ関数および取出燃焼度−核種総インベントリ関数を作成する。初期濃縮度−核種総インベントリ関数は、初期濃縮度から核種総インベントリを算出する関数である。取出燃焼度−核種総インベントリ関数は、取出燃焼度から核種総インベントリを算出する関数である。

これらの核種インベントリ算出関数は、合理的な初期条件に基づいて多数の放射化計算（たとえば比特許文献２参照）を行い、その結果を整理して作成する。核種インベントリ関数は、核種総インベントリＡＬＬＮＵＣ［Ｂｑ］を初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかの一次式で表現される。つまり、初期濃縮度−核種総インベントリ関数は、
ＡＬＬＮＵＣ＝Ａ１＋Ｂ１×ＢＵ（１）
と表わされる。ここで、Ａ１およびＢ１は定数、ＢＵは燃焼度［ＧＷｄ／ｔ］である。また、取出燃焼度−核種総インベントリ関数は、
ＡＬＬＮＵＣ＝Ａ２＋Ｂ２×Ｅ（２）
と表わされる。ここで、Ａ２およびＢ２は定数、Ｅは初期ウラン２３５濃縮度［％］である。

核種としてＣｏ−６０を選定した場合、核種インベントリ関数は、以下の通りとなる。

ＡＬＬＣｏ６０＝ａ１＋ｂ１×ＢＵ（３）
ＡＬＬＣｏ６０＝ａ２＋ｂ２×Ｅ（４）
ここで、ＡＬＬＣｏ６０は、Ｃｏ−６０の総インベントリ［Ｂｑ］である。燃料集合体に用いられる材料に応じて、Ｃｏ−６０以外の核種についても、核種インベントリ関数を作成しておく。

次に、算出対象の燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかが入力される（Ｓ２）。初期濃縮度あるいは取出燃焼度は、入力部１１から入力される。

さらに、入力された初期濃縮度または取出燃焼度を用いて、燃料集合体あたりの核種総インベントリを算出する（Ｓ３）。核種総インベントリは、核種インベントリ算出関数記憶部１２に記憶された核種インベントリ関数を用いて、核種インベントリ演算部１４が算出する。

使用済燃料集合体の初期濃縮度が既知の場合は、核種インベントリ演算部１４は、核種インベントリ算出関数記憶部１２から、初期濃縮度−核種総インベントリ関数を読み込む。その後、読み込んだ初期濃縮度−核種総インベントリ関数を用いて、初期濃縮度を入力として燃料集合体当たりの核種総インベントリを算出する。

取り出し燃焼度が既知の場合は、核種インベントリ演算部１４は、核種インベントリ算出関数記憶部１２から、取出燃焼度−核種総インベントリ関数を読み込む。その後、読み込んだ取出燃焼度−核種総インベントリ関数を用いて、取出燃焼度を入力として燃料集合体当たりの核種総インベントリを算出する。

次に、核種インベントリ積算部１６が埋設処分場の核種総インベントリを算出する（Ｓ４）。燃料集合体当たりの核種総インベントリが一定とみなせる場合、核種インベントリ積算部１６は、燃料集合体当たりの核種総インベントリに使用済み燃料集合体の発生体数を乗じることにより、埋設処分場の核種総インベントリを算出する。燃料集合体当たりの核種総インベントリが一定とみなせない場合、核種インベントリ積算部１６は、使用済燃料集合体それぞれに対して核種インベントリ演算部１４が算出した燃料集合体当たりの核種総インベントリを積算することにより、埋設処分場の核種総インベントリを算出する。

このように、本実施の形態では、一旦、核種インベントリ算出関数を導出しておけば、使用済燃料集合体の初期濃縮度あるいは取出燃焼度の一次式で、簡便に埋設処分場の核種総インベントリを算出することができる。この際、放射化計算などは不要であるため、原子炉物理に基づく高度な知識や、被覆管などの製造ロット毎に異なる可能性のある母材の微量元素の同定、燃料の初期濃縮度、燃焼度、運転履歴、燃料構造の情報は不要である。その結果、原子炉物理に基づく高度な知識および技術に精通していない他分野の技術者であっても、容易にソースタームを評価でき、様々なシナリオの下に発生する使用済燃料集合体の発生量を基にソースタームを決定し、迅速に周辺影響評価を行うことができる。

次に、核種インベントリ算出関数の導出方法について説明する。

図３は、本実施の形態における核種インベントリ算出関数の導出方法のフローチャートである。

核種インベントリ算出関数は、使用済燃料集合体の初期濃縮度、出力密度、燃焼度、被覆管などの燃料集合体の構成部材中の初期先行核種量、燃料集合体の軸方向中性子束分布を入力として核種インベントリ算出関数作成部２０によって導出される。ここで、先行核種は、たとえば算出する対象の核種がＣｏ−６０の場合はＣｏ−５９が先行核種となる。入力とするこれらの情報は、複数の燃料タイプについて与える。

まず、データ入力部２２を介してこれらの情報を入力する（Ｓ１１）。次に、燃料有効部インベントリ演算部２８は、放射化計算によって燃焼度ごとの燃焼度毎の燃料有効部核種インベントリを算出する（Ｓ１２）。ここで、燃料有効部とは、燃料集合体の軸方向の燃料（核燃料物質）が収納された領域のことである。

また、照射日数演算部２６は、照射日数を算出する（Ｓ１３）。燃焼度［ＧＷｄ／ｔ］は出力密度［ＧＷ／ｔ］に照射日数［ｄａｙ］を乗じたものであるから、燃焼度と出力密度により照射日数は容易に算出される。

次に、中性子束演算部２４は、燃料有効部の中性子束を算出する（Ｓ１４）。初期濃縮度により初期ウラン量、核分裂断面積は一意に決まる。また、出力密度は、中性子束［ｎ／ｓｅｃ／ｃｍ２］、核分裂断面積［／ｃｍ］、核分裂当たりに発生するエネルギー［Ｊ］、初期ウラン量［ｇ／ｃｃ］から容易に算出できる。軽水炉において、核分裂当たりに発生するエネルギー［Ｊ］は、ほぼ定数である。したがって、初期濃縮度と出力密度から中性子束を算出できる。

このようにして、初期濃縮度、出力密度および燃焼度から被覆管部（燃料有効部）の中性子束と照射日数を算出することができる。

また、中性子束演算部２４は、軸方向中性子束分布と中性子束とを入力とし、燃料有効部外の中性子束を算出する（Ｓ１５）。次に、燃料有効部外インベントリ演算部３０は、この燃料有効部外中性子束と照射日数と燃料有効部外の初期先行核種量を入力とし、放射化計算によって、燃焼度ごとの燃料有効部外核種インベントリを算出する。

燃料集合体インベントリ演算部３２は、燃料集合体の核種総インベントリを算出する（Ｓ１６）。具体的には、燃料有効部インベントリ演算部２８が算出した燃料有効部核種インベントリと、燃料有効部外インベントリ演算部３０が算出した燃料有効部外核種インベントリとを合計して、燃焼度ごとの燃料集合体の核種総インベントリが算出される。

その後、核種インベントリ算出関数導出部３４は、核種インベントリ算出関数を導出する（Ｓ１７）。つまり、核種総インベントリと初期濃縮度との相関から、初期濃縮度−核種総インベントリ関数を作成する。また、核種インベントリ算出関数導出部３４は、核種総インベントリと取出燃焼度との相関から、取出燃焼度−核種総インベントリ関数を作成する。

図４は、本実施の形態における初期濃縮度−核種総インベントリ関数の例を示すグラフである。図５は、本実施の形態における取出燃焼度−核種総インベントリ関数の例を示すグラフである。図４および図５は、１つの核種の総インベントリについて示したものである。

図４および図５から、核種総インベントリと取出燃焼度あるいは初期濃縮度との相関は、取出燃焼度あるいは初期濃縮度の一次式でよく表現できることがわかる。他の核種についても同様である。

１０…インベントリ算出装置、１１…入力部、１２…核種インベントリ算出関数記憶部、１４…核種インベントリ演算部、１６…核種インベントリ積算部、２０…核種インベントリ算出関数作成部、２２…データ入力部、２４…中性子束演算部、２６…照射日数演算部、２８…燃料有効部インベントリ演算部、３０…燃料有効部外インベントリ演算部、３２…燃料集合体インベントリ演算部、３４…核種インベントリ算出関数導出部

Claims

燃料を収納した複数の被覆管を束ねた燃料集合体を炉心に装荷した後に取り出した使用済燃料集合体の核種総インベントリを算出するインベントリ算出方法において、
前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかの一次式で前記燃料集合体１体当たりの核種総インベントリを表現した核種インベントリ関数に前記使用済燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかを代入して前記使用済燃料集合体の核種総インベントリを算出する使用済燃料集合体核種総インベントリ算出工程、
を有し、
前記使用済燃料集合体核種総インベントリ算出工程は、
前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれか、出力密度、燃焼度、燃料タイプ、構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの前記燃料が収納された軸方向領域である燃料有効部の核種インベントリを算出する燃料有効部核種インベントリ算出工程と、
前記燃料集合体の出力密度、および燃焼度から照射日数を算出する照射日数算出工程と、
前記燃料集合体の初期濃縮度、出力密度、燃焼度から前記燃料有効部の中性子束を算出する燃料有効部中性子束算出工程と、
前記燃料有効部中性子束算出工程で算出した中性子束と前記燃料集合体の軸方向中性子束分布とから前記燃料集合体の燃料有効部の軸方向外側領域である燃料有効部外での中性子束を算出する燃料有効部外中性子束算出工程と、
前記燃料有効部外中性子束算出工程で算出した中性子束と前記照射日数算出工程で算出した照射日数と前記燃料有効部外の構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの燃料有効部外の核種インベントリを算出する燃料有効部外核種インベントリ算出工程と、
前記燃料有効部核種インベントリ算出工程で算出した前記燃料有効部の核種インベントリと前記燃料有効部外核種インベントリ算出工程で算出した前記燃料有効部外の核種インベントリとを合計して前記燃料集合体の核種総インベントリを算出する核種総インベントリ算出工程と、
前記核種総インベントリ算出工程で算出した前記燃料集合体の核種総インベントリと、前記燃料集合体の初期濃縮度および取出し燃焼度のいずれかとの相関に基づいて前記インベントリ関数を導出するインベントリ関数導出工程と、
を有することを特徴とするインベントリ算出方法。
埋設処分場に処分される前記使用済燃料集合体の数を前記核種総インベントリに乗じて前記埋設処分場の核種総インベントリを算出する工程、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のインベントリ算出方法。
燃料を収納した複数の被覆管を束ねた燃料集合体を炉心に装荷した後に取り出した使用済燃料集合体の核種総インベントリを算出するインベントリ算出装置において、
前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかの一次式で前記燃料集合体１体当たりの核種総インベントリを表現した核種インベントリ関数を記憶した核種インベントリ算出関数記憶部と、
前記使用済燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれかが入力される入力部と、
前記使用済燃料集合体の初期濃縮度、出力密度、照射日数および燃料有効部外の初期先行核種量が入力されるデータ入力部と、
前記燃料集合体の初期濃縮度および取出燃焼度のいずれか、出力密度、燃焼度、燃料タイプ、構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの前記燃料が収納された軸方向領域である燃料有効部の核種インベントリを算出する燃料有効部インベントリ演算部と、
前記燃料集合体の出力密度、および燃焼度から照射日数を算出する照射日数演算部と、
前記燃料集合体の初期濃縮度、出力密度、燃焼度から前記燃料有効部の中性子束を算出し、算出した前記中性子束と前記燃料集合体の軸方向中性子束分布とから前記燃料集合体の燃料有効部の軸方向外側領域である燃料有効部外での中性子束を算出する中性子束演算部と、
前記中性子束演算部で算出された中性子束と、前記照射日数演算部で算出された照射日数と、前記燃料有効部外の構成部材中の初期先行核種量を入力として燃焼度ごとの燃料有効部外の核種インベントリを算出する燃料有効部外インベントリ演算部と、
前記燃料有効部インベントリ演算部が算出した燃料有効部核種インベントリと、前記燃料有効部外インベントリ演算部が算出した燃料有効部外核種インベントリとを合計して燃料集合体の核種総インベントリを算出する燃料集合体インベントリ演算部と、
を有することを特徴とするインベントリ算出装置。