原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

高速炉実機未臨界状態で行う反応度フィードバック精密測定技術の開発

１．研究開発の背景とねらい

　高速炉の安全性については、運転実績の蓄積経験の長い軽水炉と同等であることが社会的な要請である。これまで実機の核設計や設置等に関する許認可対応において、炉心核特性を評価する臨界実験が行われてきた。しかし、革新的高速炉開発では「高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究」の成果で見られるように、炉心が大型化するために、臨界実験の実施が困難になる傾向がある。その上、近年の設計解析技術の進展を考慮すると「大規模解析＋部分模擬試験」の組合せによる設計・許認可対応が不可避である。そこで、高速炉の安全性に関しては、初号機の建設前に大規模モックアップ実験を行わず、設計段階で示される安全評価結果と実際の初号機プラントの実測性能に基づいて、安全を担保する"A performance-based approach"の考え方が、GEN-IVの検討において提唱された。この考え方は、今後の革新炉開発では有効な方法であると考えられており、開発段階の高速炉においては、炉型や制御方式・冷却材の選択によらず、「初号機」において実施することが要求される。
　この"A performance-based approach"の考え方に基づくと、初号機の本格運転開始前に実施する起動前炉物理試験において、将来、運転で実現される炉心状態を含む広い想定状況に対する各種炉心反応度特性を測定することが必要である。現在、実機では、例えばペリオド法と置換法の組み合わせによる制御棒反応度価値測定や、ポンプ入熱により系統温度を上下させての等温温度係数測定などの臨界法による炉物理試験が実施されている。この臨界法では、炉心の余剰反応度の範囲内で実現できる炉心状態に対してのみ特性データを取得する。そのため、制御棒干渉効果などを含む複雑な現象を測定することになり、その解釈・要因分析が難しい場合もある。この炉物理試験を未臨界状態で実施できれば、制御棒パターンを自由に選択できることから干渉効果を排除することができ、燃焼が進んだ状態等の中性子束分布の模擬が可能となり、様々な反応度係数評価項目が測定可能となり、且つ安全に試験を遂行することができる。しかし、これまでの実機における起動前炉物理試験において、制御棒の炉停止余裕や落下法による制御棒単体の反応度価値測定を除くと、未臨界状態で実施した例がない。
　そこで、本研究開発では、高速炉システムを対象に、実機での原子炉起動前炉物理試験を未臨界状態で実施できる測定技術を開発し、高速炉臨界実験装置（以下「FCA」という）を用いて実証するとともに、その技術に基づく実機の計測システムの構築を目的とする。本開発によって、安全評価に重要な反応度フィードバック要因や安全性確保に重要な炉物理諸特性を、実機の起動前炉物理試験で広範囲に確認できるようになる。その結果、革新型高速炉の開発コスト及び時間の削減に大きく貢献すること、炉物理の分野における"A performance-based approach"の道を拓くことが期待できる。

２．研究開発成果

　本研究開発では、①大容量時系列データ高速処理システムの開発、②中性子検出器応答評価モデルの確立、③高速炉臨界実験装置を用いた試験、④未臨界反応度計測システムの実機への適用の4つの項目を柱として開発を進めている。

①大容量時系列データ高速処理システムの開発
　未臨界状態での反応度変化測定技術として、中性子源増倍法を基本に炉雑音計測法と複合し、かつ解析による補正方法を統合した中性子源増倍法の開発を進めている。ここで用いる炉雑音計測法は、これまで熱中性子炉系において多く用いられてきているが、高速炉系に適用する場合には、測定対象の時系列パルスの相関は数百ナノ〜マイクロ秒程度（熱中性子炉系では数百ミリ秒程度）になることから、時系列データ収集装置にはサブナノ秒で処理可能な高速化が必要である。そこで、本項目では、炉雑音計測法において使用する大容量時系列データ高速処理システムの高速アンプ回路を含む電気信号処理部に関して、中性子検出器から増幅器を経由し、2つに分岐されたアナログ信号を、高速FIFO（First-In-First-Out）メモリ等を用いて、発生した順番に、検出器の番号、検出時刻等を記録し、その記録データを、データ処理CPU回路によって従来の装置に比べて10倍の時間分解能で電気信号を処理可能とする電気信号処理部を試作した。試作ボードによる、高速ディスクリ回路、高速ピークホールド回路、高速AD変換回路、および調停回路に関する結果を、表１にまとめる。その結果、電気信号処理の時間分解能は20nsであり、従来の市販装置の時間分解能200nsに比べて、当初目標である10倍の高速化を達成した。更に、上記の試作結果をもとに、大容量時系列データ高速処理システムの詳細仕様を決定し、同システムを設計製作した。その基本性能として、4入力のアナログ信号を時間分解能20nsで処理し、連続データ収集能力が100kcpsであることを確認した。

③FCAを用いた試験
　本項目では、上記①及び②において開発する未臨界状態での反応度測定技術の実機への適用性を実証することを目的としたFCAを用いた試験を計画している。現在、試験体系の予備解析を実施している。これまでに、想定実機炉心として選定した炉出力300MWe級及び750MWe級の炉心組成をもとに、FCAが所有する燃料板及び模擬物質板の種類の範囲内で試験体系用の炉心燃料セルを検討し、各想定実機炉心について外側炉心と内側炉心を模擬した炉心燃料セルを決定した。標準的な高速炉解析システムによる臨界量等のサーベイ計算を実施し、FCAで保有する燃料板等の物量の観点から、実際に構成できる可能性がある体系として候補体系を選定した。更に、これらの候補体系から試験体系を確定するために、FCA核的制限値等の原子炉の運転上の制約等の詳細検討を進めている。また、反応率分布測定装置及びパルス中性子源実験を実施するため中性子発生管の製作を行っている。

④未臨界反応度計測システムの実機への適用
　高速炉実機において、反応度フィードバックを未臨界状態にて精密測定するためには、未臨界状態での反応度計測システムを構築し、その実機への適用性を確認する必要がある。本研究開発では、修正中性子源増倍法と炉雑音法の複合による新たな測定技術を目指している。そこで、それぞれの測定方法について調査、検討を行った。
　修正中性子源増倍法については、典型的実機高速炉である「もんじゅ」初装荷炉心の性能試験における制御棒反応度価値測定に関連した既往データに対して、測定時の中性子検出器応答と制御棒挿入状態の関係を整理し、別途実施された臨界法による制御棒較正試験結果から予測される未臨界度と比較検討した。その結果、この測定では炉心と半径方向ブランケット領域の境界に装荷された外部中性子源（Cf-252）が中性子計数率に影響を与えており、炉心の未臨界度が$1程度より深くなると、この外部中性子源から直接検出器に到達する中性子が、本来の増倍成分のバックグラウンドとして無視し得ない影響を与えていることが分かった。
　一方、炉雑音法については、先行高速炉での既往実験及び未臨界度測定、反応度測定に関する過去の文献の中で、炉雑音解析に関する知見を調査した。また、軽水炉（BWR）異常診断技術に関する調査も行った。これらの反応度推定手法で用いられる周波数帯域は、典型的な高速炉の炉定数データ（動特性パラメータ）では、1.2〜1.6kＨｚのオーダーであり、高速炉における炉雑音要因として考えられる流動ノイズや温度ゆらぎ、制御棒振動などの周波数帯域より二桁以上高い周波数帯域である。従って、実機適用性のための試験計画では、流動ノイズや温度ゆらぎのような低周波のノイズを考慮する必要はなく、1kHzオーダーの信号をきちんと計測できるシステムがあればよいことが分かった。

表1 大容量時系列データ高速処理システムの性能値

図1 300MWe級炉心体系概略図

図2 750MWe級炉心体系概略図

３．今後の展望

　２基の実機想定炉心に対して、数値計算による検討を継続し、中性子検出器の応答評価モデルを確立するとともに、修正中性子源増倍法および炉雑音法を適用する場合の検出器の最適配置に関する理論的検討を行い、これらの妥当性を評価するために、FCAを用いた試験を行う計画である。また、試験では、製作した大容量時系列データ高速処理システムを炉雑音計測法による未臨界状態での反応度測定技術に適用し、中性子源増倍法と複合し、かつ解析による補正方法を統合して、未臨界状態での反応度変化を測定する技術の適用性を評価する予定である。さらに、未臨界度計測アルゴリズムに必要な性能と計測データ処理方法を検討して、未臨界反応度計測システム概念を構築し、開発を進めている未臨界状態での反応度変化測定技術を実機の試験へ適用した場合を想定した数値実験結果とFCAを用いた試験解析結果を総合して、未臨界反応度計測システムが備えるべき性能と仕様を定める予定である。
　一連の技術開発が達成できれば、従来実現されていなかった、未臨界から臨界状態までの広範囲において、様々な炉心状態の反応度変化を高精度で実測するための測定技術が確立する。
　また、本技術開発の達成によって、核燃料サイクル施設での臨界安全管理分野及び加速器駆動未臨界炉のモニター分野の発展に貢献することが期待できる。

４．参考文献

[1] 溝尾宣辰:「中性子源増倍法に関する理論的補正の信頼性」,JAERI-M7135 (1977)．