Final Report of the FUJI Project Concerning the Research and Development of Advanced Sphere-Pac Fuel among JNC, PSI and NRG

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森平 正之 ; 中村 雅弘  ; 小澤 隆之   ; 木原 義之; Hellwig, C.*; Ingold, F.*; Bakker, K.*

Morihira, Masayuki; Nakamura, Masahiro; Ozawa, Takayuki; Kihara, Yoshiyuki; Hellwig, C.*; Ingold, F.*; Bakker, K.*

サイクル機構では、1996年から2005年にかけて、スイスPSI (Paul Scherrer Institut)、オランダNRG (Nuclear Research and Consultancy Group)との間で、スフェアパック燃料に係る共同研究を実施した。本共同研究は、機構の先進リサイクル燃料の候補である振動充填燃料に対する関心から計画されたものであり、MOXスフェアパック燃料、バイパック燃料、ペレット燃料の3種類の燃料についてオランダのHFR (High Flux Reactor) における比較照射試験を実施した。照射した3種類、計16本の燃料セグメント(燃料ピン8本)はPSIにおいて製造したもので、これらは20%Pu-MOXの組成を持つものであるが、うち2本のスフェアパック燃料は5%Np-20%Pu-MOXの組成とした。スフェアパック燃料用の粒子燃料は内部ゲル化法を用いて製造したもので、同プロセスが5%Npの添加にも問題なく適用できることがわかった。これらの燃料は、2003年9月にHFRの所在するオランダのペッテンに輸送されたのち、サンプルホルダーとしての組立が行われた。HFRでは、3回の短期定常照射と1回の溶融限界線出力試験が実施され、各回2本の燃料ピン(4セグメント)が同時照射された。短期定常照射試験はスフェアパック燃料の照射初期における組織変化データを得ることを目的とし、溶融限界線出力試験はスフェアパック燃料のPTM線出力をペレットとの比較データとして得ることを目的として実施された。照射試験は、2004年の1月から3月と同年12月から2005年3月にかけて行われ、同年7月に照射後試験が終了した。本共同研究は、HFRにおける照射試験を主たる目的として実施したものであるが、スフェアパック燃料のモデリングや設計技術のPSIから機構への移転、ハルデン炉におけるIFA-550.11照射試験(スイスのGösgen PWRにおいて定常照射を行ったUO2スフェパック燃料の出力急昇試験)、PSIにおける各種燃料の製造試験など多くの関連する作業が行われた。本報告書は、これらのうち、照射試験の計画、燃料設計、燃料製造、照射、照射後試験およびデータ解析の結果についてまとめたものである。

The collaboration project concerning sphere-pac fuel (SPF) among JNC, PSI and NRG was performed from 1996 till 2005. Total sixteen fuel segments (eight pins) of three types of fuel were fabricated in PSI. Two SPF segments contained 5%Np in addition to 20%Pu-MOX. Other segments contained no Np. The fuel microsphere for SPF was fabricated by the internal gelation process. The trial to apply the internal gelation process to Np-MOX fabrication was successfully attained. The test pins were transported to Petten in the Netherlands in September 2003 and assembling of the sample holders was done. Three steady state irradiation tests and one power-to-melt test were performed in HFR. Two test pins (four segments) were irradiated every tests simultaneously. The former tests were performed mainly to obtain the restructuring data of SPF in the early beginning of irradiation. The later was done to evaluate PTM linear heat rate of SPF with the reference data for pellet fuel. The irradiation tests were performed in January to March 2004 and December 2004 to March 2005. Post irradiation examination was completed in August 2005. In this project the irradiation tests in HFR was doubtless main task but so many other works were also performed i.e. transfer of the technology concerning modeling and design of sphere-pac fuel from PSI to JNC, additional destructive PIE of IFA-550.11 fuel (a power ramp test of sphere-pac fuel segment irradiated in the Gösgen PWR), fabrication tests in PSI, etc. This report summarized the planning of the irradiation tests, fuel design, result of fabrication, irradiation, post irradiation examination and data analysis. SPF design codes, DIRAD-S, SIMPLE-S which was developed by implanting SPF models of PSI into the pellet design codes in JNC, were verified with the irradiation test data in this project to show good accuracy.