Study of Vipac Fuel Fabrication for FUJI Project -Literature Survey and Recent Experiment in JNC

FUJIプロジェクトに関するバイパック燃料製造試験; 文献調査およびJNCでの最近の実験結果

重留 義明

Shigetome, Yoshiaki

PSI/JNC/NRG共同研究(FUJIプロジェクト)では、スフェアパック燃料、ペレット燃料およびバイパック燃料のピン製造を行い、照射試験によってそれらの燃料性能を比較する。ここでのバイパック燃料ピンは不定形な燃料顆粒から製造される。本報告ではORNL、RIARおよび日本で過去に実施されたバイパック充填に関する概要と、最近JNCで実施された実験結果をまとめた。バイパックの充填挙動における主な要因は振動条件と顆粒サイズ分布である。振動条件の影響は非常に重要で、高い充填率を得るためには高い加速度が必要となり、また与える振動周波数を可変にすることで顆粒のブリッジを崩し、顆粒の配列を動かすことに効果的である。顆粒サイズ分布の影響が検討され、最適な混合条件がパラメトリックな試験により把握された。顆粒サイズに45m以下を使用することで75%以上の充填率が可能である。高い充填率を達成するために微細な顆粒が必要となるが、熱遮蔽粒子の領域へ浸透するのを防ぐために、顆粒サイズは制限される。そのため、最小な顆粒サイズを決めるには十分に検討する必要がある。バイパック燃料ピンの製造は本プロジェクトにおいて非常に予想し難いプロセスの一つである。なぜなら、PSIおよびJNCにおいてバイパック製造の経験が非常に少ないためである。模擬物質(ZrO2)およびUO2を用いた充填試験とバイパック顆粒製造試験はこの課題を解決するために進められており、目的とする仕様を満たすように、バイパック燃料ピンを製造する。充填プロセスの研究はバイパック製造試験と共に遂行される。

Vipac fuel pins that are composed of irregular shape fuel granules will be fabricated and irradiated as well as Sphere-pac and pellet fuel pins in the frame of PSI/JNC/NRG collaboration (FUJI project) to compare their performances. This report describes the outline of the past vipac filling performed at ORNL, RIAR and in Japan and the results of the experiments recently conducted in JNC. Main factors that dominate performance of the vipac filling process are vibration condition and granule size distribution. The effect of vibration condition is significant and large acceleration is necessary to generate high packing fraction. In addition, sweeping frequency is necessary to break the bridging of the powder and it is effective to promote the granules movement to settle in the closely packed arrangement. The effect of granule size distribution was examined. One of the promising mixing ratios was deduced through parametric survey. The packing fraction more than 75% would be possible if granule size less than 45 m was applied. Though the small granule size is necessary to obtain high packing fraction, the diameter of the granules must be restricted to prevent the fine granules from infiltrating into the insulator sphere region. Therefore the smallest granule diameter must be defined carefully. Fabrication of vipac pins is one of the most unpredictable processes in this project because both PSI and JNC have quite little vipac experience. Filling test with inactive materials (ZrO and UO) and vipac granule fabrication test have been ongoing to overcome this situation and to allow fabricating vipac pins as close as the targeted specifications. Further investigation of filling process should be performed combined with the results of the vipac fabrication test.