Development of fuel performance code FEMAXI-6 and analysis of mechanical loading on cladding during power ramp for high burn-up fuel rod

燃料解析コードFEMAXI-6の開発と高燃焼BWR燃料棒の出力ランプ時における被覆管にかかる機械的負荷の解析

鈴木 元衛; 上塚 寛

Suzuki, Motoe; Uetsuka, Hiroshi

軽水炉燃料の通常時及び過渡時のふるまい解析のためのコードFEMAXI-6を開発した。このコードは有限要素法の力学解析を用い、高燃焼燃料の様々な現象のモデルを持つ。本研究では、高燃焼BWR燃料のスエリングによるPCMIを解析した。出力ランプ時には大きなスエリングが生じ、被覆管の大きな直径増大をもたらすが、この現象をFPガスバブルの成長による新しいモデルを適用して解析した。その結果、実測値にほぼ等しい被覆管の直径増加を再現することに成功した。このバブル成長モデルはバブルサイズと外圧の間のバランスを仮定した平衡論モデルであり、FPガスの拡散、放出の計算と連成している。また本コードは、ペレットと被覆管のボンディングモデルを持ち、このモデルによって高燃焼燃料はランプ時のペレットスタックスエリングによって被覆管の軸方向の応力が発生して、被覆管は周方向及び軸方向の2軸引張り応力状態になることを見出した。

A fuel performance code FEMAXI-6 has been developed for the analysis of LWR fuel rod behaviors. The code uses FEM analysis, and has incorporated thermal and mechanical models of phenomena anticipated in high burn-up fuel rods. In the present study, PCMI induced by swelling in a high burn-up BWR type fuel rod has been analyzed. During a power ramp for the high burn-up fuel, instantaneous pellet swelling been simulated by a new swelling model which has been installed in the code to take into account the FP gas bubble growth, and the new model can give satisfactory predictions on cladding diametral expansion. In addition, a pellet-clad bonding model in the code, which assumes firm mechanical coupling between pellet outer surface and cladding inner surface, predicts an increased tensile stress in the axial direction of cladding during the power ramp, indicating the generation of bi-axial stress state in the cladding.