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高速炉用ウラン-プルトニウム混合酸化物燃料の熱伝導特性評価 -照射初期用熱伝導度式の作成:その1-

Thermal Conductivity of beginning-of-life uranium-plutonium mixed oxide fuel for fast reactor

井上 賢紀; 浅賀 健男; 水野 朋保

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高速炉燃料の設計評価および照射挙動評価に資するため、高速炉用ウラン-プルトニウム混合酸化物燃料の照射初期段階の評価に適用する熱伝導度式を最新の知見をもとに作成した。最初に、熱伝導度式作成のためのデータベースを整備した。動燃独自の測定結果が十分でないため、公開情報についても信頼性を検討した上でデータベースに加えた。また、燃焼による効果を考慮しない照射初期用熱伝導度式の作成が目的であるため、未照射燃料の測定結果のみ収集した。熱伝導メカニズムを考慮すると、ポアを含む一般的な燃料の熱伝導度($$lambda$$)は、ポアを含まない理論密度燃料の熱伝導度($$lambda$$100%TD)に燃料密度依存性の補正係数(F)を乗じて表される($$lambda$$=F$$lambda$$100%TD)。燃料密度依存性の小さい高密度燃料の測定結果を使用し、$$lambda$$100%TDとして下式を得た。下式のデータベースはPu富化度17$$sim$$30%、O/M比1.90$$sim$$2.00、燃料密度90$$sim$$98%TD、温度400$$sim$$2090$$^{circ}C$$の範囲にある。(以下式省略)$$lambda$$100%TD:熱伝導度(W/mK)T:温度(K)O/M:O/M比(-)採用したデータベース範囲を対象として、高密度燃料と低密度燃料(現状の「もんじゅ」炉心燃料ペレット仕様レベル)に対して2種類の燃料密度依存性の補正係数を設定した。なお、Pはポア体積比である。・高密度燃料(製造時燃料密度$$>$$90%TD):FHigh=1-2.95P($$alpha$$=2.95)・低密度燃料(製造時燃料密度$$sim$$85%TD):FLow=1-1.4P($$alpha$$=1.4)今回の評価では、広範囲の燃料密度に対する統一的な補正係数を得ることができなかったため、次のステップ(その2)では今回得られた熱伝導度式をベースに燃料密度依存性に関する詳細評価を実施していく予定である。

Thermal conductivity of uranium-plutonium mixed oxide fuel for fast reactor at beginning-of-life was correlated based on the recent results in order to apply to the fuel design and the fuel performance analysis. A number of experimental results of unirradiated fuel speimens were corrected from open literatures and PNC internal reports and examined for the database. Thermal conductivity of acutual fuel with porosity ($$lambda$$), that of fully dense fuel ($$lambda$$ 100%TD) and porosity correction factor (F) had theoretically the following correlation : $$lambda$$ = F$$lambda$$ 100%TD. The following correlation was developed for fully dense fuel by the results of high density fuel pellets which the effect of porosity was relatively small. The data base ranged from 17 to 30% for plutonium content in heavy metal atoms, from 1.90 to 2.00 for oxygen to metal ratio, from 90 to 98% of theoretical density and from 400 to 2090 degree C for temperature. $$lambda$$$$_{100%TD}$$ = (1/(-0.03237+0.8606$$sqrt{2-O/M+0.002998}$$+2.483$$times$$10$$^{-4}$$T))+75.27$$times$$10$$^{-12}$$T$$^{3}$$ where $$lambda$$100%TD: Thermal Conductivity (W/mK) T: Temperature (K) O/Z: Oxygen-to-metal ratio (-) In this work two porosity correction factors were needed for high density fuel and low density fuel (around the current Monju specification). For high density fuel (as-fabricated fuel density : $$>$$ 90%TD) F$$_{High}$$ = 1-2.95P(P:Porosity volume Fraction (-)) For low density fuel (as-fabricated fuel density: around 85%TD) F$$_{Low}$$ = 1-1.4P (P: Porosity volume Fraction (-)) The universal porosity correction factor was not determined in this work. In the next step, theoretical and analytical considerations should be taken into account.

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