JP2018124123A - Method for reducing degree of harmfulness of spent fuel, mox fuel aggregate, and mox fuel reactor core - Google Patents
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Abstract
【課題】特定の核種の分離変換や核種変換に特化した設備なしに有害度を低減する。【解決手段】使用済燃料の有害度低減方法は、軽水炉で燃焼させた後に使用済ウラン燃料を取り出すステップS01と、この使用済ウラン燃料について有害度の低減条件を導出するステップS02と、低減条件を満たすかを判定する判定ステップS03と、低減条件を満たすと判定した場合は、使用済ウラン燃料を再処理し、ウラン、プルトニウムおよびMAを回収するステップS04と、再処理ステップで回収した核燃料物質およびMAと、新たに加える核燃料物質とから、MOX燃料を製造するステップS05と、軽水炉で燃焼させた後に使用済MOX燃料を取り出すステップS06を有し、判定ステップの後にMOX燃料燃焼ステップまでを繰り返す。MOX燃料における核分裂性核種の合計濃度は、使用済MOX燃料についてMOX燃料燃焼ステップごとに定められる所定の範囲内にある。【選択図】図1[PROBLEMS] To reduce the degree of harmfulness without equipment specialized for separation and conversion of specific nuclides and nuclide conversion. A method for reducing the harmfulness of spent fuel includes a step S01 for extracting spent uranium fuel after burning in a light water reactor, a step S02 for deriving a harmfulness reduction condition for the spent uranium fuel, and a reduction condition If it is determined that the reduction condition is satisfied, step S04 for reprocessing spent uranium fuel and recovering uranium, plutonium and MA, and nuclear fuel material recovered in the reprocessing step And MA and newly added nuclear fuel material, step S05 for producing MOX fuel, and step S06 for taking out the used MOX fuel after burning in the light water reactor, and repeating the MOX fuel combustion step after the judgment step . The total concentration of fissile nuclides in the MOX fuel is within a predetermined range determined for each MOX fuel combustion step for the spent MOX fuel. [Selection] Figure 1
Description
本発明の実施形態は、使用済燃料の有害度低減方法、MOX燃料集合体、およびMOX燃料炉心に関する。 Embodiments described herein relate generally to a method for reducing the harmfulness of spent fuel, a MOX fuel assembly, and a MOX fuel core.
原子炉の運転に伴い発生する使用済核燃料は、高レベル放射性廃棄物を含み、長い期間にわたり高い放射性毒性を持つ。使用済核燃料に含まれる核種を経口摂取したと仮定したときに被ばくする量に換算した値を、潜在的放射性毒性あるいは潜在的有害度と呼び、廃棄物の有害度の指標として用いられる。使用済核燃料の潜在的放射性毒性は、燃料中に含まれる核分裂生成物(FP:Fission Product)や超ウラン元素(TRU:Transuranium Elements)等に起因するが、これらの核種のうち、長期的にはTRUの影響が支配的となる。 Spent nuclear fuel generated during the operation of the reactor contains high levels of radioactive waste and has a high radiotoxicity over a long period of time. The value converted to the amount of exposure when it is assumed that the nuclide contained in the spent nuclear fuel is orally ingested is called the potential radiotoxicity or potential hazard and is used as an indicator of the hazard of waste. The potential radiotoxicity of spent nuclear fuel is caused by fission products (FP) and transuranium elements (TRU) contained in the fuel. Among these nuclides, long-term The influence of TRU becomes dominant.
放射性廃棄物の保管および処分には多大な時間と費用を要するため、これら使用済核燃料の潜在的放射性毒性を低減することが求められる。 Since the storage and disposal of radioactive waste requires a great deal of time and money, it is required to reduce the potential radiotoxicity of these spent nuclear fuels.
たとえば、TRUの潜在的放射性毒性を低減する手段として、TRUを短半減期の核種に変換する方法がある。TRUを短半減期の核種に変換する方法としては、高速炉において高速中性子を利用した核変換を行う手法が知られている。しかしながら、現時点においては、核変換を行うための高速炉の実用化および量産化に至っておらず、実現までには長期の開発期間を要すると予想される。このため、現在運転されている軽水炉から発生する使用済燃料に含まれる潜在的放射性毒性を、高速炉を用いて低減することが難しい。 For example, as a means of reducing the potential radiotoxicity of TRU, there is a method of converting TRU into a short half-life nuclide. As a method for converting TRU into a short half-life nuclide, a method of performing nuclear transmutation using fast neutrons in a fast reactor is known. However, at present, fast reactors for transmutation have not been put into practical use and mass production, and a long development period is expected to be realized. For this reason, it is difficult to reduce the potential radiotoxicity contained in spent fuel generated from currently operated light water reactors using a fast reactor.
使用済核燃料を再処理しないワンス・スルー方式の場合、使用済核燃料に含まれる核種の全てが廃棄物として扱われる。一方、プルサーマル方式では、プルトニウムおよびウランを回収し、再処理を行い混合酸化物(MOX:Mixed oxide)燃料とすることにより、軽水炉において再利用される。一般的なプルサーマルの過程では、プルトニウムを除くTRU、すなわちマイナーアクチニド(MA:Minor actinide)は、再利用されるプルトニウムやウランからは分離される。このように、軽水炉においては、一度取り出したMAの核変換を行うことは想定されていない。 In the case of a once-through method in which spent nuclear fuel is not reprocessed, all the nuclides contained in the spent nuclear fuel are treated as waste. On the other hand, in the pluthermal method, plutonium and uranium are recovered, reprocessed and used as a mixed oxide (MOX) fuel, and reused in a light water reactor. In a general pull thermal process, TRUs other than plutonium, that is, minor actinides (MA) are separated from plutonium and uranium that are reused. Thus, in a light water reactor, transmutation of MA once taken out is not assumed.
軽水炉において核変換を行う場合は、Pu238(プルトニウム238)、Pu241(プルトニウム241)、Am241(アメリシウム241)等のような潜在的放射性毒性に対して寄与の大きい核種の核変換効率を高める必要がある。しかしながら、一般的な軽水炉用燃料および軽水炉の炉心では、MAの核変換を効率的に行う観点での燃料設計および炉心設計は行われていなかった。 When performing nuclear transmutation in a light water reactor, increase the transmutation efficiency of nuclides that contribute significantly to potential radiotoxicity such as Pu 238 (plutonium 238), Pu 241 (plutonium 241), Am 241 (Americium 241), etc. There is a need. However, in general light water reactor fuels and light water reactor cores, fuel design and core design have not been performed from the viewpoint of efficiently performing MA transmutation.
一般的に、軽水炉用燃料および軽水炉の炉心においては、EOC(End of Cycle)すなわち1運転サイクルの最後において余剰反応度がゼロになるように、燃料の設計がなされ、原子炉の運転がなされる。 Generally, in a light water reactor fuel and a light water reactor core, the fuel is designed and the reactor is operated so that the excess reactivity is zero at the end of one operating cycle, that is, EOC (End of Cycle). .
上述のように、軽水炉の炉心で使用された使用済み燃料は、プルサーマル方式の過程において、ウラン同位体とプルトニウム同位体を抽出し、FPやMAは放射性廃棄物として廃棄される。 As described above, uranium isotopes and plutonium isotopes are extracted from spent fuel used in the core of the light water reactor in the process of the pull thermal method, and FP and MA are discarded as radioactive waste.
これら放射性廃棄物中の潜在的放射性毒性を低減する方法として、有害な核種を分離し、その核種をより有害度の低い核種に変換する方法、すなわち分離変換が知られている。 As a method for reducing the potential radiotoxicity in these radioactive wastes, a method of separating a harmful nuclide and converting the nuclide to a less harmful nuclide, that is, separation conversion is known.
分離変換で想定されている代表的な手法は、有害な核種をMOX燃料に添加し、高速炉で燃焼させる方法や、加速器を用いて、有害な核種をターゲットにした照射を行うことにより、有害な核種をより有害度の低い核種に変換する方法があげられる。 Typical methods assumed for separation conversion are harmful by adding harmful nuclides to MOX fuel and burning them in a fast reactor, or by using an accelerator to target harmful nuclides. A method of converting a new nuclide into a less harmful nuclide.
上述の方法は、特定の核種を分離するために高度な再処理技術が必要となり、核種変換のために、専用の高速炉や加速器を建造する必要がある。これらの技術の開発や、設備の建設のためには、莫大な時間と費用を要することが課題となっていた。 The above-described method requires advanced reprocessing technology to separate specific nuclides, and it is necessary to construct a dedicated fast reactor and accelerator for the conversion of nuclides. The development of these technologies and the construction of equipment has been a problem that requires enormous time and cost.
本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、特定の核種の分離変換を行わず、また、核種変換に特化した設備を開発せずに、有害度を低減することを目的とする。 Embodiments of the present invention have been made to solve the above-described problems, and do not perform separation conversion of specific nuclides, and reduce harmfulness without developing equipment specialized for nuclide conversion. The purpose is to do.
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、軽水炉の使用済み燃料から生ずる超ウラン元素による有害度を低減する使用済燃料の有害度低減方法であって、ウラン燃料を軽水炉で燃焼させて、その後に使用済ウラン燃料を取り出すウラン燃料燃焼ステップと、前記使用済ウラン燃料について、有害度の低減条件を導出する低減条件導出ステップと、前記使用済ウラン燃料について、有害度の低減条件を満たすか否かを判定し、有害度の低減条件を満たさないと判定した場合は廃棄処分に移行する判定ステップと、有害度の低減条件を満たすと判定した場合は、前記使用済ウラン燃料を再処理し、ウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを回収する再処理ステップと、前記再処理ステップで回収した回収ウラン、回収プルトニウム、および回収マイナーアクチニドと、新たに加える核燃料物質とから、MOX燃料を製造するMOX燃料製造ステップと、前記MOX燃料を軽水炉で燃焼させた後に使用済MOX燃料を取り出すMOX燃料燃焼ステップと、を有し、前記判定ステップの後に前記MOX燃料燃焼ステップまでを繰り返して、前記MOX燃料における核分裂性プルトニウムと核分裂性ウランの合計濃度は、前記使用済MOX燃料について前記MOX燃料燃焼ステップごとに定められる所定の範囲内にある、ことを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, an embodiment of the present invention is a method for reducing the harmfulness of spent fuel, which reduces the harmfulness caused by transuranium elements generated from spent fuel in a light water reactor, and burns uranium fuel in a light water reactor. Then, a uranium fuel combustion step for taking out the used uranium fuel, a reduction condition derivation step for deriving a harmfulness reduction condition for the spent uranium fuel, and a harmfulness reduction condition for the spent uranium fuel. It is determined whether or not the condition is satisfied, and if it is determined that the harmfulness reduction condition is not satisfied, the determination step of moving to disposal is performed. If it is determined that the harmfulness reduction condition is satisfied, the spent uranium fuel is reused. A reprocessing step for recovering and recovering uranium, plutonium and minor actinides, and the recovered uranium and recovered plutonium recovered in the reprocessing step. And a MOX fuel production step for producing MOX fuel from the recovered minor actinide and newly added nuclear fuel material, and a MOX fuel combustion step for taking out the used MOX fuel after burning the MOX fuel in a light water reactor. Then, the determination step is repeated until the MOX fuel combustion step, and the total concentration of fissile plutonium and fissile uranium in the MOX fuel is a predetermined value determined for each MOX fuel combustion step for the spent MOX fuel. It is in the range.
また、本発明の実施形態に係るMOX燃料集合体は、長手方向に延びて核分裂性プルトニウムおよび核分裂性ウランを含む核燃料物質を内蔵し、互いに並列に配された複数のMOX燃料棒と、長手方向に延びてウランまたはプルトニウムを主たる成分とする核燃料物質ならびに可燃性毒物を内蔵し前記MOX燃料棒とともに格子状に配列された複数の可燃性毒物入り燃料棒と、を有し、所定の燃焼度を確保した運転サイクル終了時の余剰反応度が、所定の正の値より大きくなるように、前記核分裂性プルトニウムおよび核分裂性ウランの合計濃度の初期の値が設定されていることを特徴とする。 An MOX fuel assembly according to an embodiment of the present invention includes a plurality of MOX fuel rods extending in the longitudinal direction and containing nuclear fuel material containing fissile plutonium and fissile uranium and arranged in parallel to each other, and in the longitudinal direction. And a plurality of fuel rods containing flammable poisons containing uranium or plutonium as main components and a combustible poison and arranged in a grid with the MOX fuel rods, and having a predetermined burnup The initial value of the total concentration of the fissile plutonium and the fissile uranium is set so that the surplus reactivity at the end of the secured operation cycle is greater than a predetermined positive value.
また、本発明の実施形態に係るMOX燃料炉心は、互いに並列に格子状に配列された上記複数のMOX燃料集合体と、前記複数のMOX燃料集合体の配列内にそれぞれ配された複数の制御棒と、を備えることを特徴とする。 An MOX fuel core according to an embodiment of the present invention includes a plurality of the MOX fuel assemblies arranged in a grid in parallel with each other, and a plurality of controls respectively arranged in the array of the plurality of MOX fuel assemblies. And a bar.
本発明の実施形態明によれば、特定の核種の分離変換を行わず、また、核種変換に特化した設備を開発せずに、有害度を低減することができる。 According to the embodiments of the present invention, it is possible to reduce the degree of harmfulness without performing separation and conversion of specific nuclides and without developing equipment specialized for nuclide conversion.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法、MOX燃料集合体、およびMOX燃料炉心について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。 Hereinafter, a method for reducing the degree of harmfulness of spent fuel, an MOX fuel assembly, and an MOX fuel core according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法の全体の手順を示すフロー図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a flowchart showing the entire procedure of the spent fuel harmfulness reduction method according to the first embodiment.
まず、従来のウラン燃料を、軽水炉に装荷して軽水炉で燃焼させ、その後に炉外に取り出す(ステップS01)。ここで、従来のウラン燃料とは、たとえば、U235(ウラン235)の濃縮度が3ないし5%程度の二酸化ウラン(UO2)燃料である。また、ウラン燃料の燃焼は、たとえば40ないし50GWd/t程度の平均燃焼度である。なお、さらに高い燃焼度の場合でもよい。 First, conventional uranium fuel is loaded into a light water reactor and burned in the light water reactor, and then taken out of the reactor (step S01). Here, the conventional uranium fuel is, for example, uranium dioxide (UO 2 ) fuel in which the enrichment of U 235 (uranium 235) is about 3 to 5%. Moreover, the combustion of uranium fuel has an average burnup of, for example, about 40 to 50 GWd / t. A higher burnup may also be used.
次に、ステップS01の軽水炉での燃焼の後、この軽水炉から取り出した使用済ウラン燃料(使用済U燃料)について、使用済燃料の有害度低減条件を導出する(ステップS02)。ここで、使用済燃料の有害度低減条件とは、使用済燃料の有害度を低減可能とするための条件である。後述する図6での説明の際に、具体的に説明する。 Next, after the combustion in the light water reactor in step S01, the spent fuel harmfulness reduction condition is derived for the used uranium fuel (used U fuel) taken out from the light water reactor (step S02). Here, the harmfulness reduction condition of the spent fuel is a condition for reducing the harmfulness of the spent fuel. This will be specifically described in the description with reference to FIG.
次に、ステップS01で使用した軽水炉から取り出した使用済U燃料について、ステップS02で導出した使用済燃料の有害度低減条件を満たすか否かを判定する(ステップS03)。 Next, it is determined whether the spent U fuel taken out from the light water reactor used in step S01 satisfies the harmfulness reduction condition of the spent fuel derived in step S02 (step S03).
使用済U燃料について使用済燃料の有害度低減条件を満たさないと判定された場合(ステップS03 NO)には、使用済U燃料の再処理を行わず、廃棄処分(ステップS07)の流れに移行する。 If it is determined that the spent U fuel does not satisfy the harmfulness reduction condition of the spent fuel (NO in step S03), the spent U fuel is not reprocessed and the process proceeds to disposal (step S07). To do.
使用済U燃料について使用済燃料の有害度低減条件を満たすと判定された場合(ステップS03 YES)には、次の再処理ステップ(ステップS04)に進む。 If it is determined that the spent fuel harmfulness reduction condition is satisfied for the spent U fuel (YES in step S03), the process proceeds to the next reprocessing step (step S04).
ステップS04の再処理ステップでは、軽水炉の炉心から取り出した使用済ウラン燃料を、適切な期間にわたり冷却した後に、再処理を行う。再処理では、核分裂性核種を含むウランおよびプルトニウムとともに、MAを回収する。 In the reprocessing step of step S04, the spent uranium fuel taken out from the core of the light water reactor is cooled for an appropriate period, and then reprocessed. In the reprocessing, MA is recovered together with uranium and plutonium containing fissile nuclides.
次に、回収されたウランである回収ウラン(回収U)、回収されたプルトニウムである回収プルトニウム(回収Pu)に、回収されたMAである回収マイナーアクチニド(回収MA)を加えて、さらに、新たなプルトニウム(Pu)、天然ウラン(天然U)あるいは濃縮ウラン(濃縮U)を加え、MAを添加したMOX燃料すなわちPuおよびUの混合酸化物燃料を製造する(ステップS05)。なお、再処理においては、MAをウランやプルトニウムと分離せずにウランやプルトニウムと一体で回収してもよい。 Next, recovered minor actinide (recovered MA), which is recovered MA, is added to recovered uranium (recovered U), which is recovered uranium, and recovered plutonium (recovered Pu), which is recovered plutonium. Plutonium (Pu), natural uranium (natural U) or enriched uranium (enriched U) is added to produce an MOX fuel to which MA is added, that is, a mixed oxide fuel of Pu and U (step S05). In the reprocessing, MA may be recovered together with uranium or plutonium without being separated from uranium or plutonium.
ここで、MOX燃料の初期の核分裂性核種、すなわち、Uの核分裂性核種(核分裂性ウラン:核分裂性U)およびPuの核分裂性核種(核分裂性プルトニウム:核分裂性Pu)の合計量のUおよびPuの合計量に対する割合、すなわち合計濃度の値は、所定の燃焼度を確保するために必要な値以上の値である。以下、新たに加える核燃料物質は、Puであるとして説明する。このため、新たに加えるPuの富化度は、必要な核分裂性核種の量を確保するために必要な値である。 Here, the total amount of U and Pu in the initial fissionable nuclides of MOX fuel, namely, U fissionable nuclides (fissile uranium: fissile U) and Pu fissile nuclides (fissile plutonium: fissile Pu). The ratio to the total amount, that is, the value of the total concentration is a value greater than or equal to a value necessary for ensuring a predetermined burnup. In the following description, it is assumed that the newly added nuclear fuel material is Pu. For this reason, the enrichment degree of Pu to be newly added is a value necessary for securing the necessary amount of fissile nuclide.
次に、MAを添加したMOX燃料集合体を軽水炉のMOX燃料炉心に装荷して燃焼させた後に、使用済MOX燃料をMOX燃料炉心から取り出す(ステップS06)。 Next, after the MOX fuel assembly to which MA has been added is loaded on the MOX fuel core of the light water reactor and burned, the spent MOX fuel is taken out of the MOX fuel core (step S06).
次にステップS03に戻り、MOX燃料炉心から取り出した使用済MOX燃料について、使用済燃料の有害度低減条件を満たすか否かの判定を行い、有害度低減条件を満たすと判定される(ステップS03 YES)場合に限り、前記のステップS03からステップS06までを繰り返す。以上の各ステップのうち、ステップS04からステップS06までを、リサイクルステップと呼ぶこととする。最初にこれらのステップを通過するのを1回目、次に通過するのを2回目というようにリサイクル回数をカウントする。 Next, returning to step S03, it is determined whether or not the spent MOX fuel taken out from the MOX fuel core satisfies the harmfulness reduction condition of the spent fuel, and is determined to satisfy the harmfulness reduction condition (step S03). Only in the case of YES), the above steps S03 to S06 are repeated. Of the above steps, steps S04 to S06 are referred to as a recycling step. The number of recycles is counted so that the first pass through these steps and the second pass through these steps.
図2は、第1の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法の効果として、初期Puf富化度の変化に対する100年後の潜在的放射性毒性の変化を試算した例を示すグラフである。すなわち、使用髄燃料中のMAの100年後の潜在的放射性毒性を、使用済燃料の有害度を表わす指標の例としている。 FIG. 2 is a graph showing an example of a trial calculation of a change in potential radiotoxicity after 100 years with respect to a change in the initial Puf enrichment as an effect of the method for reducing the harmfulness of spent fuel according to the first embodiment. . That is, the potential radiotoxicity after 100 years of MA in spent marrow fuel is used as an example of an index representing the harmfulness of spent fuel.
図2の横軸は、初期Puf富化度(wt%)、すなわち、各リサイクル回数における炉内での燃焼前のMOX燃料のPuf富化度である。ここで、Puf富化度とは、MOX燃料中のPuおよびUを主たる成分とする核燃料物質の合計重量に対しての、Pu239(Pu239)などのPuの核分裂性核種(核分裂性Pu)の重量の割合である。この試算例では、新たに加える核燃料物質をPuとしており、核分裂性核種として存在するのは、回収Puおよび新たに加えたPu中のPuの核分裂性核種の他に、回収ウラン中のU235などの核分裂性核種がある。 The horizontal axis in FIG. 2 represents the initial Puf enrichment (wt%), that is, the Puf enrichment of the MOX fuel before combustion in the furnace at each recycle number. Here, the Puf enrichment is the amount of Pu fissile nuclides (Fissile Pu) such as Pu239 (Pu 239 ) with respect to the total weight of the nuclear fuel material mainly containing Pu and U in the MOX fuel. It is a ratio of weight. In this trial calculation example, the newly added nuclear fuel material is Pu, and the existence of fissile nuclides includes U235 in the recovered uranium, in addition to the recovered Pu and the newly added Pu fissionable nuclides. There are fissile nuclides.
図2の縦軸は、そのリサイクル回数におけるMOX燃料炉心内での照射後に取り出した使用済MOX燃料中のMAについての、100年後の潜在的放射性毒性(Sv/MWd)である。 The vertical axis in FIG. 2 is the potential radiotoxicity (Sv / MWd) after 100 years for MA in spent MOX fuel taken after irradiation in the MOX fuel core at the number of recycles.
図2の4本の折れ線は、リサイクル回数が、1回ないし4回のものに対応する。すなわち、点A1、点B1および点C1を結ぶ実線はリサイクル回数が1回に対応し、点A2、点B2および点C2を結ぶ点線はリサイクル回数が2回に対応し、点A3、点B3および点C3を結ぶ破線はリサイクル回数が3回に対応し、さらに、点A4、点B4および点C4を結ぶ一点鎖線はリサイクル回数が4回に対応する。 The four broken lines in FIG. 2 correspond to the number of recycling times of 1 to 4 times. That is, the solid line connecting point A1, point B1, and point C1 corresponds to the number of times of recycling, and the dotted line connecting point A2, point B2, and point C2 corresponds to the number of times of recycling, and points A3, B3, and A broken line connecting the points C3 corresponds to the number of times of recycling, and a one-dot chain line connecting the points A4, B4, and C4 corresponds to the number of times of recycling of 4.
ここで、リサイクル回数とは、前述のように、最初のウラン燃料が燃焼することにより生成されたMAが、その後、何度の再処理、回収を経ているかの回数をいうものとする。すなわち、注目するMAが、使用済U燃料の再処理で回収された時点をリサイクル回数1回目とする。その後、使用済MOX燃料の再処理が最初になされて回収された時点がリサイクル回数2回目、次に使用済MOX燃料に使用され照射された後に再処理されて回収された時点がリサイクル回数3回目、というようにカウントした回数となる。 Here, as described above, the number of recycles refers to the number of times that the MA generated by the combustion of the first uranium fuel has undergone reprocessing and recovery thereafter. That is, the point in time when the noted MA is collected by reprocessing spent U fuel is the first recycling. After that, when the spent MOX fuel is first reprocessed and collected, the second time is the number of recycling times. Next, when the spent MOX fuel is used and irradiated and then reprocessed and collected, the third time is the number of recycling times. , And so on.
各折れ線上の点は、条件と結果を示す点である。すなわち、各折れ線上の点は、横軸の値は、初期Puf富化度の条件であり、縦軸の値は、そのMOX燃料を所定の燃焼度まで照射した後の結果である使用済MOX燃料中のMAについての100年後の潜在的放射性毒性を示す。以下、いくつかの点を例にとって、具体的に説明する。 The points on each broken line are points indicating conditions and results. That is, for each point on the broken line, the value on the horizontal axis is the condition of the initial Puf enrichment, and the value on the vertical axis is the result of irradiating the MOX fuel to a predetermined burnup and used MOX The potential radiotoxicity after 100 years for MA in fuel is shown. Hereinafter, specific explanation will be given by taking several points as examples.
点A1は、リサイクル回数が1の場合、すなわち1回目のリサイクルの場合を示す。点A1の横軸の初期Puf富化度の値は、使用済ウラン燃料を再処理して、MOX燃料を製作した段階でのPuf富化度を示す。また、点A1の縦軸の値は、このMOX燃料を炉内で燃焼させ所定の燃焼度が得られた後に炉内から取り出した使用済MOX燃料中のMAの100年後の潜在的放射性毒性の値を示す。すなわち、これ以上、新たなMOX燃料の製造に使用して炉内で照射することなしに、処分側のプロセスに移行した場合の値である。 Point A1 indicates the case where the number of times of recycling is 1, that is, the case of the first recycling. The value of the initial Puf enrichment on the horizontal axis at the point A1 indicates the Puf enrichment at the stage where the MOX fuel is manufactured by reprocessing spent uranium fuel. The value of the vertical axis at point A1 indicates the potential radiotoxicity after 100 years of MA in the spent MOX fuel taken out from the furnace after the MOX fuel is burned in the furnace and a predetermined burnup is obtained. Indicates the value of. That is, it is a value when the process is shifted to the disposal process without being irradiated in the furnace using the new MOX fuel.
初期Puf富化度の値は、MOX燃料が所定の燃焼度を得られるような富化度である。この試算例では、所定の燃焼度を、通常の設計で多く用いられる45GWd/tとしており、この燃焼度を確保するための初期Puf富化度の値は、本試算例においては6.0wt%である。このために、使用済U燃料の再処理後の回収U、回収Puおよび回収MA等に、新たにPuを加えて、6.0wt%の初期Puf富化度を確保する。 The value of the initial Puf enrichment is an enrichment such that the MOX fuel can obtain a predetermined burnup. In this trial calculation example, the predetermined burnup is 45 GWd / t, which is often used in normal design, and the initial Puf enrichment value for securing this burnup is 6.0 wt% in this trial calculation example. It is. For this purpose, Pu is newly added to the recovered U, recovered Pu, recovered MA, and the like after the reprocessing of the spent U fuel, thereby securing an initial Puf enrichment of 6.0 wt%.
45GWd/tの燃焼度となるMOX燃料炉心内での照射の結果、取り出した使用済MOX燃料中のMAの100年後の潜在的放射性毒性は、約10,000Sv/MWdである。 As a result of irradiation in the MOX fuel core with a burnup of 45 GWd / t, the potential radiotoxicity after 100 years of MA in the used spent MOX fuel is about 10,000 Sv / MWd.
次に、点A2は、2回目のリサイクルの場合を示す。すなわち、第1回目のリサイクル後に取り出したMAを処分側のプロセスに移行せずに、再びMOX燃料の製造に使用した場合である。 Next, point A2 indicates the case of the second recycling. That is, this is a case where the MA taken out after the first recycling is used again for the production of MOX fuel without shifting to the disposal process.
この場合、45GWd/tの燃焼度を確保するためには、本試算例においては、初期Puf富化度を約8wt%にする必要がある。このために、新たにPuを加え、約8wt%の初期Puf富化度を確保したMOX燃料を製造する。 In this case, in order to ensure the burnup of 45 GWd / t, in this trial calculation example, the initial Puf enrichment needs to be about 8 wt%. For this purpose, Pu is newly added to produce an MOX fuel with an initial Puf enrichment of about 8 wt%.
第2回のリサイクル用のMOX燃料において前述のように新たにPuを加えており、これにより新たなMAが生成される。また、元々のMAの照射による減少分がある。これらの結果、取り出した使用済MOX燃料中のMAの100年後の潜在的放射性毒性は、約19,000Sv/MWdである。 In the second MOX fuel for recycling, Pu is newly added as described above, thereby generating new MA. In addition, there is a decrease due to the original MA irradiation. As a result, the potential radiotoxicity after 100 years of MA in the extracted spent MOX fuel is about 19,000 Sv / MWd.
同様に、点A3は、3回目のリサイクルの場合を示し、45GWd/tの燃焼度を確保するための初期Puf富化度は約10wt%である。また、45GWd/tの燃焼度となるMOX燃料炉心内での照射の結果、取り出した使用済MOX燃料中のMAの100年後の潜在的放射性毒性は、約27,000Sv/MWdである。 Similarly, the point A3 indicates the case of the third recycling, and the initial Puf enrichment for securing the burnup of 45 GWd / t is about 10 wt%. Also, as a result of irradiation in the MOX fuel core with a burnup of 45 GWd / t, the potential radiotoxicity after 100 years of MA in the extracted used MOX fuel is about 27,000 Sv / MWd.
また、点A4についても、同様に、初期Puf富化度は約11wt%、取り出した使用済MOX燃料中のMAの100年後の潜在的放射性毒性は、約35,000Sv/MWdである。 Similarly, for point A4, the initial Puf enrichment is about 11 wt%, and the potential radiotoxicity after 100 years of MA in the used spent MOX fuel is about 35,000 Sv / MWd.
以上のように、点A1で、45GWd/tの燃焼度を確保するための初期Puf富化度である6.0wt%の初期Puf富化度のMOX燃料を最初の条件として、その後、各リサイクルにおいて、45GWd/tの燃焼度を得るための初期Puf富化度を設定してMAを炉内の中性子で照射することを順次繰り返すことにより、それぞれのリサイクル回数において、点A2、点A3、および点A4で示す条件および結果となる。この流れを、A系列と呼ぶこととする。 As described above, at point A1, MOX fuel having an initial Puf enrichment of 6.0 wt%, which is an initial Puf enrichment for securing a burnup of 45 GWd / t, is set as an initial condition, and then each recycle is performed. In order to obtain an initial Puf enrichment for obtaining a burnup of 45 GWd / t and sequentially irradiating the MA with neutrons in the furnace, the points A2, A3, and The condition and result indicated by point A4 are obtained. This flow is called an A series.
一方、点B1および点C1は、それぞれ、45GWd/tの燃焼度を確保するための初期Puf富化度を超える初期Puf富化度を設定した場合を最初の条件とした場合である。すなわち、点B1では、初期Puf富化度を約13.4wt%としている。また、点C1では、初期Puf富化度を約22.4wt%としている。 On the other hand, each of points B1 and C1 is a case where the initial condition is that the initial Puf enrichment exceeding the initial Puf enrichment for securing the burnup of 45 GWd / t is set. That is, at the point B1, the initial Puf enrichment is about 13.4 wt%. At point C1, the initial Puf enrichment is about 22.4 wt%.
点B1の初期Puf富化度を約13.4wt%とする条件を最初の条件として、A系列と同様のリサイクルを繰り返すと、点B2、点B3、および点B4というB系列となる。また、点C1の初期Puf富化度を約22.4wt%とする条件を最初の条件として、A系列と同様のリサイクルを繰り返すと、点C2、点C3、および点C4というC系列となる。 By repeating the same recycling as the A series with the initial Puf enrichment of the point B1 being about 13.4 wt%, the B series of points B2, B3, and B4 is obtained. Further, when the same recycling as the A series is repeated with the condition that the initial Puf enrichment of the point C1 is about 22.4 wt% as the first condition, a C series of points C2, C3, and C4 is obtained.
A系列、B系列およびC系列のそれぞれにおいて、リサイクル回数が1からリサイクル回数が4までに移行するにつれ、それぞれ次のリサイクル回数の場合においては前回のリサイクル回数の場合に比べて、初期Puf富化度および100年後の潜在的放射性毒性は、順次増加する。 In each of A series, B series, and C series, as the number of recycling shifts from 1 to 4, the initial Puf enrichment in the case of the next recycling count compared to the previous recycling count, respectively. The degree and the potential radiotoxicity after 100 years will increase sequentially.
今、複数回のリサイクルをしない場合と、複数回のリサイクルをする場合とを比較してみる。複数回のリサイクルをする場合は、最後のリサイクル回数後の使用済MOX燃料から回収したMAの100年後の潜在的放射性毒性が残ることになる。 Now, let's compare the case of not recycling multiple times and the case of recycling multiple times. In the case of multiple recycles, the potential radiotoxicity after 100 years of MA recovered from spent MOX fuel after the last recycle will remain.
一方、複数回のリサイクルをしない場合、すなわち、リサイクル回数が1回の場合を考えると、発電を行うごとに使用済MOX燃料中のMAが発生する。したがって、複数回の発電を行う場合は、その回数分だけ、リサイクル回数が1回の場合の使用済MOX燃料中のMAがその都度発生する。 On the other hand, when not being recycled a plurality of times, that is, when the number of times of recycling is one, MA in the used MOX fuel is generated every time power is generated. Therefore, when power generation is performed a plurality of times, the MA in the used MOX fuel is generated each time the number of times of recycling is one.
このため、複数回のリサイクルを行う場合の最後のリサイクル回数後の使用済MOX燃料から回収したMAの100年後の潜在的放射性毒性を、リサイクル回数で除した結果に基づいて、相互の比較を行うのが適切と考えられる。今、この結果を、規格化した100年後の潜在的放射性毒性(以下、「規格化放射性毒性」)と呼ぶこととする。 Therefore, based on the result of dividing the potential radiotoxicity after 100 years of MA recovered from spent MOX fuel after the last number of recycles in the case of multiple recycles by the number of recycles, we will compare each other. It is considered appropriate to do so. Now, this result will be referred to as potential radiotoxicity 100 years after standardization (hereinafter, “normalized radiotoxicity”).
図3は、図2で示した例について規格化した規格化放射性毒性の変化を示すグラフである。 FIG. 3 is a graph showing changes in normalized radiotoxicity normalized for the example shown in FIG.
ここで、図3の折れ線L1、L2、L3およびL4上の各点は、図2と同様に条件と結果を示す点である。具体的には、各折れ線上の点は、横軸については初期Puf富化度の条件を示すという点では図2で示す点と同様であるが、縦軸についてはそのMOX燃料を所定の燃焼度まで照射した後の結果である使用済MOX燃料中のMAについての規格化放射性毒性を示す。各折れ線については、点a1、b1およびc1を結ぶ実線はリサイクル回数が1回、点a2、b2およびc2を結ぶ点線はリサイクル回数が2回、点a3、b3およびc3を結ぶ破線はリサイクル回数が3回、および点a4、b4およびc4を結ぶ一点鎖線はリサイクル回数が4回の場合を示す。 Here, each point on the polygonal lines L1, L2, L3, and L4 in FIG. 3 is a point indicating a condition and a result as in FIG. Specifically, the points on each broken line are the same as the points shown in FIG. 2 in that the horizontal axis indicates the condition of the initial Puf enrichment, but the vertical axis indicates the predetermined combustion of the MOX fuel. 2 shows the normalized radiotoxicity for MA in spent MOX fuel, which is the result after irradiation to a degree. For each broken line, the solid line connecting points a1, b1 and c1 has a recycling count of 1, the dotted line connecting points a2, b2 and c2 has a recycling count of 2, and the broken line connecting points a3, b3 and c3 has a recycling count of 1 3 times and the dashed-dotted line which connects the points a4, b4, and c4 show the case where the frequency | count of recycle is 4 times.
したがって、図3における点a1、点a2、点a3、点a4、点b1、点b2、点b3、点b4、点c1、点c2、点c3および点c4は、図2における点A1、点A2、点A3、点A4、点B1、点B2、点B3、点B4、点C1、点C2、点C3および点C4にそれぞれ対応している。 Therefore, point a1, point a2, point a3, point a4, point b1, point b2, point b3, point b4, point c1, point c2, point c3 and point c4 in FIG. 3 are point A1, point A2 in FIG. , Point A3, point A4, point B1, point B2, point B3, point B4, point C1, point C2, point C3 and point C4, respectively.
図3に示すように、A系列、B系列およびC系列ともに、リサイクル回数が増加するにつれて、各系列内における規格化放射性毒性は減少している。 As shown in FIG. 3, the normalized radiotoxicity in each series decreases as the number of recycling increases in the A series, B series, and C series.
図4は、図3で示した結果の相対値を示すグラフである。横軸は、初期Puf富化度(wt%)である。縦軸は、規格化された100年後の潜在的放射性毒性の相対値である。具体的には、A系列、B系列およびC系列のそれぞれにおいて、リサイクル回数が1回、すなわち、最初のMOX燃料炉心での照射後の潜在的放射性毒性を基準とした値である。 FIG. 4 is a graph showing the relative values of the results shown in FIG. The horizontal axis represents the initial Puf enrichment (wt%). The vertical axis is the relative value of potential radiotoxicity after 100 years of normalization. Specifically, in each of the A series, the B series, and the C series, the number of times of recycling is 1, that is, a value based on the potential radiotoxicity after irradiation in the first MOX fuel core.
図4に示すように、各リサイクル回数においての初期Puf富化度の増加に対する規格化された100年後の潜在的放射性毒性の相対値の変化の傾向は、リサイクル回数が増加するにしたがって変化している。 As shown in FIG. 4, the trend of change in relative value of potential radiotoxicity after 100 years normalized relative to the increase in initial Puf enrichment at each number of recycles changes as the number of recycles increases. ing.
すなわち、リサイクル回数が1回の場合においては、初期Puf富化度の増加すなわち、点a1から点b1になると規格化放射性毒性は増加し、点c1となるとわずかに減少する。リサイクル回数が2回の場合においては、初期Puf富化度の増加すなわち、点a2から点b2になると規格化放射性毒性は増加し、点c2となると減少する。 That is, when the number of recycles is 1, the increase in the initial Puf enrichment, that is, the normalized radiotoxicity increases from the point a1 to the point b1, and slightly decreases at the point c1. When the number of recycles is 2, the normalized radiotoxicity increases as the initial Puf enrichment increases, that is, from point a2 to point b2, and decreases when it reaches point c2.
また、リサイクル回数が3回の場合においては、初期Puf富化度の増加すなわち、点a3から点b3になると規格化放射性毒性はわずかに増加し、点c3となると、点c1の場合より減少する。さらに、リサイクル回数が4回の場合においては、初期Puf富化度の増加すなわち、点a4から点b4になっても規格化放射性毒性はほぼ変わらず、点c4となると減少する。 In addition, when the number of recycles is 3, the increase in the initial Puf enrichment, that is, the normalized radiotoxicity increases slightly from the point a3 to the point b3, and decreases at the point c3 from the case of the point c1. . Further, when the number of recycles is 4, the normalized radiotoxicity is not substantially changed even when the initial Puf enrichment is increased, that is, from the point a4 to the point b4, and decreases when the point c4 is reached.
以上のように、リサイクル回数が増加するにしたがって、初期Puf富化度が増加すると規格化放射性毒性が減少する傾向に近づく。特に、初期Puf富化度の値が大きな領域において、リサイクル回数の増加に対する規格化放射性毒性の減少の程度が著しい。 As described above, the normalized radiotoxicity tends to decrease as the initial Puf enrichment increases as the number of recycling increases. In particular, in the region where the value of the initial Puf enrichment is large, the degree of decrease in normalized radiotoxicity with respect to the increase in the number of recyclings is significant.
すなわち、図3に示すようにリサイクル回数の増加に従い規格化放射性毒性は減少し、また、図4に示すように初期Puf富化度が増加すると規格化放射性毒性が減少する。 That is, as shown in FIG. 3, the normalized radiotoxicity decreases as the number of recycling increases, and as the initial Puf enrichment increases as shown in FIG. 4, the normalized radiotoxicity decreases.
ただし、図3に示すように、リサイクル回数の小さい段階では、初期Puf富化度の増加に対する規格化放射性毒性の増加幅が大きいため、リサイクル回数1回目の規格化放射性毒性より規格化放射性毒性が減少するためには、少なくとも所定のリサイクル回数と、最初のMOX燃料につて所定の初期Puf富化度の組み合わせという所定の条件あるいはそれを超える条件であることが必要である。 However, as shown in FIG. 3, at the stage where the number of recycles is small, the increase in the normalized radiotoxicity with respect to the increase in the initial Puf enrichment is large, so that the normalized radiotoxicity is higher than the standardized radiotoxicity after the first recycle. In order to decrease, it is necessary to have a predetermined condition of a combination of at least a predetermined number of recycling times and a predetermined initial Puf enrichment for the first MOX fuel, or a condition exceeding the predetermined condition.
図5は、使用済燃料の有害度低減方法の効果を確保する所定の条件を説明するグラフである。 FIG. 5 is a graph for explaining predetermined conditions for ensuring the effect of the method for reducing the harmfulness of spent fuel.
今、点a1については、横軸の値は、使用済ウラン燃料を再処理しU、PuおよびMAを回収の上で製造されるMOX燃料が所定の燃焼度を確保するに必要なPuf富化度である。また、点a1についての縦軸の値は、このMOX燃料をMOX燃料炉心で燃焼させた後に、使用済MOX燃料を再処理し、回収し処分側に移行した場合のMAの規格化放射性毒性である。この条件および結果を基準とすると、ある状態が有害度低減の効果があるといえるためには、図5において、最終の条件および結果を表わす点における縦軸の値である規格化放射性毒性が、点a1における縦軸の値である規格化放射性毒性Rna1より小さいことが必要である。 Now, for point a1, the value on the horizontal axis is the Puf enrichment required for the MOX fuel produced after reprocessing spent uranium fuel and recovering U, Pu and MA to ensure a predetermined burnup Degree. The value on the vertical axis for point a1 is the normalized radiotoxicity of MA when the MOX fuel is burned in the MOX fuel core, the spent MOX fuel is reprocessed, recovered and transferred to the disposal side. is there. Based on this condition and result, in order to say that a certain state has the effect of reducing the harmfulness, in FIG. 5, the normalized radiotoxicity, which is the value on the vertical axis at the point representing the final condition and result, It is necessary to be smaller than the normalized radiotoxicity Rna1, which is the value on the vertical axis at the point a1.
図5において、リサイクル回数が4回の場合の折れ線L4の場合には、点a4、点b4および点c4を含んで、点a4から点c4までの初期Puf富化度の全領域に亘り、縦軸の値である規格化放射性毒性は、点a1における規格化放射性毒性Rna1より小さい。したがって、リサイクル回数が4回の場合には、最初の条件である使用済ウラン燃料の再処理後のMOX燃料の初期Puf富化度が、点a1における初期Puf富化度PEa1以上であれば、有害度低減効果があることになる。 In FIG. 5, in the case of the broken line L4 when the number of recycles is 4, the vertical Puff enrichment region including the points a4, b4, and c4 from the point a4 to the point c4 The normalized radiotoxicity that is the value of the axis is smaller than the normalized radiotoxicity Rna1 at the point a1. Therefore, when the number of recycles is 4, if the initial Puf enrichment of the MOX fuel after the reprocessing of spent uranium fuel, which is the first condition, is equal to or higher than the initial Puf enrichment PEa1 at the point a1, There will be a reduction in harmfulness.
次に、図5において、リサイクル回数が3回の場合の折れ線L3の場合には、縦軸の値が点a1における縦軸の値より小さくなるのは、点a4から点c4までの初期Puf富化度のうち、初期Puf富化度が大きな一部の領域のみである。すなわち、点d3が点a1と縦軸の規格化放射性毒性の値が等しい点であるので、点d3を含まず、点d3から点c3までの領域において、有害度低減効果があることになる。B系列の点を結んだ曲線LbとC系列の点を結んだ曲線Lcと同様に、点d3を与えるD系列の点を結んだ曲線Ldを考えれば、最初の条件および結果を表す点をd1が図5のように求められる。したがって、リサイクル回数が3回の場合には、最初の条件である使用済ウラン燃料の再処理後のMOX燃料の初期Puf富化度が、点d1における初期Puf富化度PEd1を超えていれば、有害度低減効果があることになる。 Next, in FIG. 5, in the case of the broken line L3 when the number of recycles is 3, the value of the vertical axis is smaller than the value of the vertical axis at the point a1 because the initial Puf rich from the point a4 to the point c4. Of the degree of conversion, only a part of the region where the initial Puf enrichment is large. That is, since the point d3 is a point where the normalized radiotoxicity value on the vertical axis is equal to the point a1, there is an effect of reducing the harmfulness in the region from the point d3 to the point c3 without including the point d3. Similar to the curve Lb connecting the B series points and the curve Lc connecting the C series points, if the curve Ld connecting the D series points giving the point d3 is considered, the first condition and the point representing the result are d1. Is obtained as shown in FIG. Therefore, when the number of recycles is 3, if the initial Puf enrichment level of the MOX fuel after the reprocessing of the spent uranium fuel, which is the first condition, exceeds the initial Puf enrichment level PEd1 at the point d1 This will have an effect of reducing harmfulness.
図6は、本実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法における使用済燃料の有害度低減可能範囲の概念的説明図である。図6の横軸は、各回数のリサイクルでの初期の核分裂性核種割合である。付加する核分裂性元素がPuであれば、初期の核分裂性核種割合はたとえば、初期Puf富化度であり、以下は、この場合について説明する。縦軸は、リサイクル回数である。 FIG. 6 is a conceptual explanatory diagram of a possible range for reducing the harmfulness of spent fuel in the method for reducing the degree of harmfulness of spent fuel according to the present embodiment. The horizontal axis in FIG. 6 represents the initial fissionable nuclide ratio in each recycling. If the added fissile element is Pu, the initial fissionable nuclide ratio is, for example, the initial Puf enrichment, and this case will be described below. The vertical axis represents the number of recyclings.
初期Puf富化度については、通常の所定の燃焼度を得るに必要なPuf富化度をx0で表示している。一方、初期Puf富化度が高すぎると、炉心の熱的な制限条件および核的な制限条件に対して余裕が減少し、さらには成立性を確保できなくなる。したがって、初期Puf富化度には、成立可能な上限値Xmがある。 Regarding the initial Puf enrichment, the Puf enrichment necessary for obtaining a normal predetermined burnup is indicated by x0. On the other hand, if the initial Puf enrichment is too high, the margin is reduced with respect to the thermal limit condition and the nuclear limit condition of the core, and further, the feasibility cannot be ensured. Therefore, the initial Puf enrichment has a feasible upper limit value Xm.
図6に示す、最もリサイクル回数が大きく、かつ、最も初期Puf富化度が大きな位置が、限界条件Qである。この条件に対応する限界系列の最初のリサイクル回数における初期Puf富化度をXm0とする。この条件を結ぶ折れ線より小さなあるいは同じ初期Puf富化度とする初期Puf富化度の最大限界条件を一般化した、核分裂性核種割合最大限界条件として表示している。ここで、一般化とは、新たに加える核分裂性核種は、核分裂性Puのみでなく、核分裂性Uでもよいし、両者の合計でもよいとの意味である。 The position shown in FIG. 6 where the number of recycles is the largest and the initial Puf enrichment is the largest is the limit condition Q. Let Xm0 be the initial Puf enrichment in the first number of recyclings of the limit series corresponding to this condition. The maximum limit condition of the initial Puf enrichment that is smaller than or equal to the polygonal line connecting these conditions is expressed as a maximum limit condition for the ratio of the fissionable nuclide ratio. Here, generalization means that the newly added fissionable nuclide may be not only fissile Pu but also fissile U, or the sum of both.
一方、リサイクル期間に、所定の燃焼度を確保するための最小限の初期Puf富化度が存在する。この最小限の初期Puf富化度の条件を各リサイクル回数について結ぶ折れ線より、大きな富化度を要求する初期Puf富化度の最小限界条件を一般化した核分裂性核種割合最小限界条件として表示している。 On the other hand, there is a minimum initial Puf enrichment to ensure a predetermined burnup during the recycle period. The minimum initial Puf enrichment condition for each number of recycles is displayed as a generalized fissile nuclide ratio minimum limit condition for the minimum limit condition of the initial Puf enrichment that requires a greater enrichment than the polygonal line connecting each recycling number. ing.
リサイクルを繰り返すと、図2に示すようにMAの総量は増加し、いずれは、MOX燃料として成立する解が存在しなくなる。このため、リサイクル回数には上限が存在する。図6では、リサイクル可能回数条件として示している。 When the recycling is repeated, the total amount of MA increases as shown in FIG. 2, and there is no solution that can be established as MOX fuel. For this reason, there is an upper limit to the number of times of recycling. FIG. 6 shows the recyclable frequency condition.
以上の制限条件を満たす領域が、図6の例でいえば、リサイクル回数1回ないし6回の太線で囲まれた領域である。この中で、規格化した100年後の潜在的放射性毒性が、基準条件における100年後の潜在的放射性毒性Rna1よりも小さくなる範囲を、網掛けした領域で表示している。この領域の範囲が、潜在的放射性毒性の低減可能範囲すなわち使用済燃料の有害度低減可能範囲である。 In the example of FIG. 6, the region satisfying the above restriction conditions is a region surrounded by a thick line with one to six recycles. In this, the range where the normalized radiotoxicity after 100 years after standardization is smaller than the potential radiotoxicity Rna1 after 100 years under the reference conditions is indicated by a shaded area. The range of this region is the range in which the potential radiotoxicity can be reduced, that is, the range in which the harmfulness of the spent fuel can be reduced.
使用済燃料の有害度低減可能範囲は、ステップS01におけるウラン燃料の組成、軽水炉での燃焼経緯等の条件、その後の、MOX燃料の組成、MOX燃料炉心での燃焼経緯等に依存する。このため、ステップS02で導出した使用済燃料の有害度低減条件は、MOX燃料炉心での燃焼計画の変更等が有れば、随時、見直すことでよい。 The range in which the harmfulness of the spent fuel can be reduced depends on conditions such as the composition of the uranium fuel and the combustion history in the light water reactor in step S01, the subsequent composition of the MOX fuel, the combustion history in the MOX fuel core, and the like. For this reason, the harmfulness reduction condition of the spent fuel derived in step S02 may be reviewed at any time if there is a change in the combustion plan in the MOX fuel core.
図7は、第1の実施形態に係るMOX燃料集合体の構成を示す水平断面図である。MOX燃料集合体10は、核分裂性プルトニウムおよび核分裂性ウランを含む核燃料物質を内蔵する複数のMOX燃料棒11、可燃性毒物を内蔵する複数の可燃性毒物入り燃料棒12、2本のウォータロッド13、および、これらの径方向外側にあってこれらを収納するチャンネルボックス15を有する。
FIG. 7 is a horizontal sectional view showing the configuration of the MOX fuel assembly according to the first embodiment. The
複数のMOX燃料棒11および複数の可燃性毒物入り燃料棒12は、それぞれ長手方向に延びて、互いに並列に配され、10×10の格子状の配列を形成する。2本のウォータロッド13は、MOX燃料棒11および可燃性毒物入り燃料棒12の格子状の配列の中央に配されている。
The plurality of
複数のMOX燃料棒11のそれぞれは、MOX燃料要素11a、およびこれを収納する被覆管11bを有する。
Each of the plurality of
MOX燃料要素11aは、たとえば円柱形で軸方向に積み重ねられた複数のペレットからなる。MOX燃料要素11aの各ペレットは、使用済U燃料または使用済MOX燃料の再処理によって回収された回収U、回収Pu、および回収MAに、さらに核燃料物質を加えたMOX燃料が円柱状に焼結、成形されている。
The
核燃料物質としては、PuあるいはUが使用される。回収U、回収Puおよび新たに加えた核燃料物質中の核分裂性核種、すなわち核分裂性Puおよび核分裂性Uの合計濃度、すなわち、核分裂性核種のPuおよびUの合計重量に対する濃度は、MOX燃料炉心における燃焼により所定の燃焼度、たとえば前述の試算例の45GWd/tの燃焼度が確保できる濃度より高い濃度である。 Pu or U is used as the nuclear fuel material. The total concentration of fissionable nuclides in recovered U, recovered Pu and newly added nuclear fuel material, i.e. fissile Pu and fissile U, i.e. the concentration of fissile nuclides with respect to the total weight of Pu and U, is determined in the MOX fuel core. It is a concentration higher than a concentration at which a predetermined burnup, for example, a burnup of 45 GWd / t in the above-described trial calculation example can be secured by combustion.
さらに、この核分裂性核種の濃度は、複数回のリサイクル後に、有害度を低減可能な濃度である。具体的には、図5に示す試算例では、使用済U燃料の再処理後の最初のMOX燃料についての核分裂性核種の濃度は、Pufの富化度換算で約6wt%より高い値である。 Further, the concentration of the fissile nuclide is a concentration that can reduce the harmfulness after a plurality of recyclings. Specifically, in the trial calculation example shown in FIG. 5, the concentration of the fissile nuclide for the first MOX fuel after the reprocessing of the spent U fuel is higher than about 6 wt% in terms of Puf enrichment. .
複数の可燃性毒物入り燃料棒12のそれぞれは、可燃性毒物入り燃料要素12a、およびこれを収納する被覆管12bを有する。可燃性毒物入り燃料要素12aにおいては、核分裂性核種の合計濃度は、MOX燃料要素11aにおける核分裂性核種の合計濃度に比べて低い値である。
Each of the plurality of flammable poison-containing
以上、MOX燃料集合体10の構成については、MOX燃料棒11および可燃性毒物入り燃料棒12は10×10の格子状の配列で、ウォータロッド13が2本の場合を示したが、これに限定されない。たとえば、8×8あるいは9×9の格子状の配列や、三角配列でもよい。また、たとえば、ウォータロッド13が1本の場合であってもよい。
As described above, regarding the configuration of the
図8は、第1の実施形態に係るMOX燃料炉心の構成を示す水平断面図である。MOX燃料炉心1は、格子状に配列され全体としてほぼ円筒形状を形成する複数のMOX燃料集合体10と、互いに隣接する2×2配列の4体のMOX燃料集合体10の中央部にそれぞれ配列された複数の制御棒5を有する。
FIG. 8 is a horizontal sectional view showing the configuration of the MOX fuel core according to the first embodiment. The
なお、図8では、MOX燃料集合体10が装荷されている炉心は、すべての燃料集合体がMOX燃料集合体10である場合を示しているがこれに限定されない。たとえば、MOX燃料集合体10とともに、通常のウラン燃料集合体が装荷されている炉心で燃焼させてもよい。
In FIG. 8, the core in which the
以上のように、本実施形態明によれば、特定の核種の分離変換を行わず、核種変換に特化した設備を開発せずに、有害度を低減することができる。 As described above, according to the present embodiment, the degree of harmfulness can be reduced without performing separation conversion of specific nuclides and without developing equipment specialized for nuclide conversion.
[第2の実施形態]
図9は、第2の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法の全体の手順を示すフロー図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。
[Second Embodiment]
FIG. 9 is a flowchart showing the entire procedure of the spent fuel harmfulness reduction method according to the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment.
本実施形態におけるステップS01においては、第1の実施形態における従来のウラン燃料を軽水炉に装荷して軽水炉で燃焼させる代わりに、従来のウラン燃料よりも濃縮度の高い濃縮度増加ウラン燃料を、軽水炉に装荷して燃焼させる。濃縮度増加ウラン燃料については、軽水炉の運転サイクル終了時にも、炉心が、所定の正の値以上の余剰反応度を有する状態をもたらすような濃縮度である。詳細は、以下に説明する。 In step S01 in the present embodiment, instead of loading the conventional uranium fuel in the first embodiment into the light water reactor and burning it in the light water reactor, the enriched uranium fuel having a higher enrichment than the conventional uranium fuel is used. To be loaded and burned. The enrichment-enhanced uranium fuel is enriched so that the core has a surplus reactivity exceeding a predetermined positive value even at the end of the light water reactor operation cycle. Details will be described below.
図10は、第2の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法において用いるウラン燃料炉心の構成を示す水平断面図である。 FIG. 10 is a horizontal sectional view showing the configuration of the uranium fuel core used in the method for reducing the degree of harmfulness of spent fuel according to the second embodiment.
ウラン燃料炉心2は、格子状に配列され全体としてほぼ円筒形状を形成する複数の濃縮度増加ウラン燃料集合体20と、互いに隣接する4体の濃縮度増加ウラン燃料集合体20の中央部にそれぞれ配列された複数の制御棒5を有する。
The
なお、図10では、濃縮度増加ウラン燃料集合体20が装荷されている炉心は、すべての燃料集合体が濃縮度増加ウラン燃料集合体20である場合を示しているがこれに限定されない。たとえば、濃縮度増加ウラン燃料集合体20とともに、一部、MOX燃料集合体が装荷されている炉心で照射してもよい。
In FIG. 10, the core in which the enriched
図11は、第2の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法において用いる濃縮度増加ウラン燃料を用いた濃縮度増加ウラン燃料集合体の構成を示す水平断面図である。 FIG. 11 is a horizontal sectional view showing a configuration of an enriched uranium fuel assembly using enriched uranium fuel used in the method for reducing the degree of harmfulness of spent fuel according to the second embodiment.
濃縮度増加ウラン燃料集合体20は、複数の濃縮度増加ウラン燃料棒21、複数の可燃性毒物入り燃料棒12、2本のウォータロッド13、および、これらの径方向外側にあってこれらを収納するチャンネルボックス15を有する。
The enrichment enriched
複数の濃縮度増加ウラン燃料棒21および複数の可燃性毒物入り燃料棒12は、互いに並列に配され、格子状の配列を形成する。ウォータロッド13は、濃縮度増加ウラン燃料棒21および可燃性毒物入り燃料棒12の格子状の配列の中央に配されている。
The plurality of enriched
複数の濃縮度増加ウラン燃料棒21のそれぞれは、濃縮度増加ウラン燃料要素21a、およびこれを収納する被覆管21bを有する。
Each of the plurality of enriched
濃縮度増加ウラン燃料要素21aは、たとえば円柱形で軸方向に積み重ねられた複数のペレットからなる。濃縮度増加ウラン燃料要素21aは、濃縮ウランを用いているが、濃縮度は、所定の燃焼度を確保するために必要な濃縮度、たとえば3.8wt%より大きな値の濃縮度を有する。
The enrichment increasing
以上、濃縮度増加ウラン燃料集合体20の構成については、濃縮度増加ウラン燃料棒21および可燃性毒物入り燃料棒12は10×10の格子状の配列で、ウォータロッド13が2本の場合を示したが、これに限定されない。たとえば、8×8あるいは9×9の格子状の配列や、三角配列でもよい。また、たとえば、ウォータロッド13が1本の場合であってもよい。
As described above, with respect to the configuration of the enriched
図12は、第2の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法の効果を示す初期U235の濃縮度の変化に対する100年後の潜在的放射性毒性の変化の相対値を示すグラフである。横軸は、初期U235濃縮度、すなわち、炉心における燃焼の開始時点のU燃料におけるU235の濃縮度である。縦軸は、炉心での燃焼が終了した時点から100年後における潜在的放射性毒性の相対値である。相対値は、一般的なU燃料の濃縮度として、3.8wt%を基準とした場合の相対値である。図12に示されているように、初期U235の濃縮度が高いほど、潜在的放射性毒性は低減する傾向がある。 FIG. 12 is a graph showing the relative value of the change in the potential radiotoxicity after 100 years with respect to the change in the enrichment of the initial U235 showing the effect of the method for reducing the harmfulness of the spent fuel according to the second embodiment. The horizontal axis is the initial U235 enrichment, that is, the enrichment of U235 in the U fuel at the start of combustion in the core. The vertical axis represents the relative value of potential radiotoxicity 100 years after the completion of combustion in the core. The relative value is a relative value based on 3.8 wt% as a general U fuel enrichment. As shown in FIG. 12, the higher the initial U235 enrichment, the lower the potential radiotoxicity.
図13は、第2の実施形態に係る使用済燃料の有害度低減方法を説明する燃焼度の変化に対する無限増倍率の変化を示すグラフである。横軸は、ウラン燃料および濃縮度増加ウラン燃料の燃焼度である。ウラン燃料集合体および濃縮度増加ウラン燃料集合体20の達成するべき燃焼度は、取り出し平均燃焼度で45GWd/tとしている。この燃焼度に達するまでに、軽水炉は、第1サイクルから第3サイクルまでの3回の運転サイクルを経過し、3回目の運転サイクル終了時に、所定の燃焼度、この場合は45GWd/tの燃焼度を達成する。
FIG. 13 is a graph illustrating a change in infinite multiplication factor with respect to a change in burnup, which explains the method for reducing the harmfulness of spent fuel according to the second embodiment. The horizontal axis represents the burnup of uranium fuel and enriched uranium fuel. The burn-up to be achieved by the uranium fuel assembly and the enrichment-enhanced
なお、ウラン燃料集合体および濃縮度増加ウラン燃料集合体20のいずれにおいても、可燃性毒物は、第1サイクルですべて燃焼する濃度で添加されている。
In both the uranium fuel assembly and the enriched
実線で示す折れ線は、U235の初期の濃縮度が一般的に多く用いられる3.8wt%の場合、破線で示す折れ線は、U235の初期の濃縮度が5.0wt%と濃縮度を増加させた場合を示す。 The broken line shown by the solid line is 3.8 wt% where the initial enrichment of U235 is generally used, and the broken line shown by the broken line increases the enrichment by 5.0 wt% of the initial enrichment of U235. Show the case.
この場合、運転の第1サイクルでは、可燃性毒物の燃焼により、燃焼度の増加とともに無限増倍率は増加する。第2サイクルおよび第3サイクルにおいては、燃料中の核分裂性核種の燃焼により無限増倍率は減少する。U235の初期の濃縮度が3.8wt%の場合には、第3サイクル終了とともに無限増倍率はほぼゼロとなる。一方、U235の初期の濃縮度が5.0wt%の場合の無限増倍率は、第3サイクル終了時点においての、初期の濃縮度が3.8wt%の場合の無限増倍率より大きくなり、その差Δk∞は約0.07程度である。 In this case, in the first cycle of operation, the infinite multiplication factor increases as the burnup increases due to combustion of the flammable poison. In the second and third cycles, the infinite multiplication factor decreases due to the burning of fissile nuclides in the fuel. When the initial enrichment of U235 is 3.8 wt%, the infinite multiplication factor becomes almost zero with the end of the third cycle. On the other hand, the infinite multiplication factor when the initial enrichment of U235 is 5.0 wt% is larger than the infinite multiplication factor when the initial enrichment is 3.8 wt% at the end of the third cycle. Δk∞ is about 0.07.
U235の初期の濃縮度を、余剰反応度の観点でみると、運転サイクル末期に確保する余剰反応度については、燃焼解析等による余剰反応度の解析と実機の誤差は0.3%Δk以下程度であり、設計解析では余剰反応度が少なくとも0.3%Δk程度以上は残るようにすることが有効である。したがって、所定の値を、0.3%Δkより大きな値たとえば2%Δkなどとすることが有効である。 From the viewpoint of excess reactivity, the initial enrichment level of U235 is about 0.3% Δk or less for the excess reactivity to be secured at the end of the operation cycle and the analysis of the excess reactivity by combustion analysis etc. In the design analysis, it is effective that the excess reactivity remains at least about 0.3% Δk or more. Therefore, it is effective to set the predetermined value to a value larger than 0.3% Δk, for example, 2% Δk.
このように、運転サイクル長さと取り出し平均燃焼度を一定とした場合には、初期U235濃縮度が高いほど、運転サイクル終了時に取出燃料中に含まれるU235の濃度が高くなる。したがって、ステップS04の再処理ステップにより回収される回収Uにおいては、第1の実施形態の場合に比べて、U235の濃度が高い。このため、次のリサイクルにおいて必要な燃焼度が得られるようなMOX燃料の製造にあたっては、補給すべき核分裂性核種の量を少なくすることが出る。この結果、MOX燃料の製造に当たっては、第1の実施形態の場合に比べて、プルトニウムの富化度を低くすることができる。 As described above, when the operation cycle length and the extraction average burnup are constant, the higher the initial U235 enrichment, the higher the concentration of U235 contained in the extracted fuel at the end of the operation cycle. Therefore, the concentration of U235 is higher in the recovery U recovered by the reprocessing step of step S04 than in the case of the first embodiment. For this reason, in the production of MOX fuel that can obtain the necessary burnup in the next recycling, the amount of fissile nuclides to be replenished can be reduced. As a result, in manufacturing the MOX fuel, the enrichment of plutonium can be reduced as compared with the case of the first embodiment.
[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention.
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…MOX燃料炉心、2…ウラン燃料炉心、5…制御棒、10…MOX燃料集合体、11…MOX燃料棒、11a…MOX燃料要素、11b…被覆管、12…可燃性毒物入り燃料棒、12a…可燃性毒物入り燃料要素、12b…被覆管、13…ウォータロッド、15…チャンネルボックス、20…濃縮度増加ウラン燃料集合体、21…濃縮度増加ウラン燃料棒、21a…濃縮度増加ウラン燃料要素、21b…被覆管
DESCRIPTION OF
Claims (6)
ウラン燃料を軽水炉で燃焼させて、その後に使用済ウラン燃料を取り出すウラン燃料燃焼ステップと、
前記使用済ウラン燃料について、有害度の低減条件を導出する低減条件導出ステップと、
前記使用済ウラン燃料について、有害度の低減条件を満たすか否かを判定し、有害度の低減条件を満たさないと判定した場合は廃棄処分に移行する判定ステップと、
有害度の低減条件を満たすと判定した場合は、前記使用済ウラン燃料を再処理し、ウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを回収する再処理ステップと、
前記再処理ステップで回収した回収ウラン、回収プルトニウム、および回収マイナーアクチニドと、新たに加える核燃料物質とから、MOX燃料を製造するMOX燃料製造ステップと、
前記MOX燃料を軽水炉で燃焼させた後に使用済MOX燃料を取り出すMOX燃料燃焼ステップと、
を有し、
前記判定ステップの後に前記MOX燃料燃焼ステップまでを繰り返して、
前記MOX燃料における核分裂性プルトニウムと核分裂性ウランの合計濃度は、前記使用済MOX燃料について前記MOX燃料燃焼ステップごとに定められる所定の範囲内にある、
ことを特徴とする使用済燃料の有害度低減方法。 A method for reducing the harmfulness of spent fuel to reduce the harmfulness caused by transuranium elements generated from spent fuel in a light water reactor,
A uranium fuel combustion step in which uranium fuel is burned in a light water reactor and then used uranium fuel is taken out;
A reduction condition derivation step for deriving a reduction degree of harmfulness for the spent uranium fuel;
For the spent uranium fuel, it is determined whether or not a harmfulness reduction condition is satisfied, and if it is determined that the harmfulness reduction condition is not satisfied, a determination step of shifting to disposal;
A reprocessing step of reprocessing the spent uranium fuel and recovering uranium, plutonium and minor actinides, if determined to satisfy the hazard reduction conditions;
A MOX fuel production step for producing MOX fuel from the recovered uranium, recovered plutonium and recovered minor actinide recovered in the reprocessing step, and a newly added nuclear fuel material;
A MOX fuel combustion step of taking out the used MOX fuel after burning the MOX fuel in a light water reactor;
Have
After the determination step, the MOX fuel combustion step is repeated.
The total concentration of fissile plutonium and fissile uranium in the MOX fuel is within a predetermined range determined for each MOX fuel combustion step for the spent MOX fuel.
A method for reducing the degree of harmfulness of spent fuel.
長手方向に延びてウランまたはプルトニウムを主たる成分とする核燃料物質ならびに可燃性毒物を内蔵し前記MOX燃料棒とともに格子状に配列された複数の可燃性毒物入り燃料棒と、
を有し、
所定の燃焼度を確保した運転サイクル終了時の余剰反応度が、所定の正の値より大きくなるように、前記核分裂性プルトニウムおよび核分裂性ウランの合計濃度の初期の値が設定されていることを特徴とするMOX燃料集合体。 A plurality of MOX fuel rods extending in the longitudinal direction and containing nuclear fuel material containing fissile plutonium and fissile uranium and arranged in parallel with each other;
A plurality of fuel rods containing a flammable poison, which includes a nuclear fuel material and a flammable poison that extend in the longitudinal direction and mainly contains uranium or plutonium and are arranged in a grid with the MOX fuel rod;
Have
The initial value of the total concentration of the fissile plutonium and fissile uranium is set so that the excess reactivity at the end of the operation cycle in which the predetermined burnup is ensured is greater than a predetermined positive value. Characteristic MOX fuel assembly.
前記複数のMOX燃料集合体の配列内にそれぞれ配された複数の制御棒と、
を備えることを特徴とするMOX燃料炉心。 A plurality of MOX fuel assemblies according to any one of claims 4 and 5 arranged in a grid in parallel with each other;
A plurality of control rods each disposed in an array of the plurality of MOX fuel assemblies;
A MOX fuel core comprising:
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2017
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