Analysis of mechanical load on cladding induced by fuel swelling during power ramp in high burn-up rod by fuel performance code FEMAXI-6

出力ランプにおいて高燃焼燃料棒の燃料スエリングが引き起こす被覆管への機械的負荷の燃料ふるまいコードFEMAXI-6による解析

鈴木 元衛; 上塚 寛; 斎藤 裕明*

Suzuki, Motoe; Uetsuka, Hiroshi; Saito, Hiroaki*

高燃焼BWR燃料棒における燃料スエリングによる被覆管への機械的負荷を燃料ふるまいコードFEMAXI-6によって解析した。このコードは有限要素法をもちいて軽水炉燃料の通常運転及び過渡(事故ではなく)条件における燃料ふるまいを解析するために開発された。高燃焼度燃料の出力ランプにおいては、即発的なペレットスエリングは定常速度のスエリングモデルから予測されるレベルを有意なほど超え、被覆管に周方向の大きな歪みを与えることがある。この現象をFPガスバブル成長を考慮に入れた新しいスエリングモデルによってシミュレートし、この新モデルが、照射後試験データと比較して、被覆管の直径拡大の満足すべき予測を与えることを見いだした。このバブル成長モデルはバブルサイズ,表面張力,内圧とバブルに働く外圧との間の平衡関係を仮定し、バブルサイズの決定計算とFPガス原子の拡散方程式との連立解を求める。さらに、コードに組み込まれた、ペレットの外面と被覆管内面に強固な機械的結合を想定するボンディングモデルにより、ランプ時における被覆管の二軸応力状態が予測された。

Mechanical load on cladding induced by fuel swelling in a high burn-up BWR type rod has been analyzed by a fuel performance code FEMAXI-6. The code has been developed for the analysis of LWR fuel rod behaviors in normal operation and transient conditions using FEM. During a power ramp for the high burn-up rod, instantaneous pellet swelling can significantly exceed the level that is predicted by a "steady-rate" swelling model, causing a large circumferential strain in cladding. This phenomenon has been simulated by a new swelling model to take into account the fission gas bubble growth, and as a result it has been found that the new model can give reasonable predictions on cladding diameter expansion in comparison with post-irradiation data. In addition, a pellet-clad bonding model which has been incorporated in the code to assume firm mechanical coupling between pellet outer surface and cladding inner surface has predicted the generation of bi-axial stress state in the cladding during ramp.