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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2 -

Thermal conductivity of beginning-of-life uranium-plutonium mixed oxide fuel for fast reactor (Secondary report)

井上 賢紀; 浅賀 健男

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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(MOX燃料)の熱伝導特性を前報(PNC TN9410 98-014:同題その1)に引き続き検討し、照射初期段階の評価に適用する熱伝導度式を再作成することを目的とした。熱伝導メカニズムを考慮すると、気孔を含む燃料の熱伝導度($$lambda$$)は、気孔率ゼロの燃料の熱伝導度($$lambda$$0)と気孔効果の補正式(F)の積で表わされる($$lambda$$=F$$lambda$$0)。今回の評価では、前報と同様に、気孔率ゼロの燃料に対する熱伝導度式を作成することにした。前報に対し、熱伝導度式の作成に利用するデータベースの選定基準を見直し、複数の測定方法および測定機関による測定値が同等のデータを採用した。気孔率の影響が比較的小さいと推定される高密度燃料(相対密度$$sim$$95%)の測定結果(221点)をデータベースとした。データベースの値を気孔効果の補正式(修正Loeb式:F=1-2.5P(Pは気孔率))を用いて気孔率ゼロの値に換算した後に、最小自乗法プログラムを用いてフィッティングし、下式を得た。なお、高温領域のデータ不足を補う手段として、UO2燃料とMOX燃料の物性が近いことに着目し、Hardingの報告したUO2燃料用熱伝導度式の電子伝導項をそのまま適用した。$$lambda$$0=式省略$$lambda$$0:気孔率ゼロの燃料の熱伝導度(W/mK)T:温度(K)O/M:O/M比(-)フィッティングに使用したデータベースはPu富化度20$$sim$$30%、O/M比1.98と2.00、相対密度94.3$$sim$$96.4%、温度64$$sim$$2279$$^{circ}C$$の範囲であるが、上式は高速炉用MOX燃料ペレットの一般的な製造仕様の範囲に対して常温から融点まで適用可能と考えられる。

Thermal conductivity of uranium-plutonium mixed oxide fuel for fast reactor at beginning-of-life was re-correlated in order to apply to the fuel design and the fuel pin performance analysis. Thermal conductivity of actual fuel with porosity ($$lambda$$), that of fully dense fuel ($$lambda$$$$_{0}$$) and porosity correction factor (F) has theoretically the following correlation : $$lambda$$ = F$$lambda$$$$_{0}$$, The database (221 points) were selected by adopting following criteria: "validated by different authors and methods" and "high density fuel specimens around 95% of theoretical density". The database were corrected to fully dense condition by modified Loeb equation : F=1-2.5P (P: fractional porosity) and then correlated by the least square method program. The electron conduction term of uranium dioxide reported by Harding was used in order to compensate for the lack of the high temperature range data. New correlation for fully dense fuel was developed again and shown below, which the data base used in the analysis ranged from 20 to 30% for plutonium content in heavy metal atoms, 1.98 and 2.00 for oxygen to metal ratio, from 94.3 to 96.4% of theoretical density and from 64 to 2279$$^{circ}$$C for temperature. $$lambda$$$$_{0}$$ = $$frac{1}{0.06059+0.2754 sqrt{2-O/M}+2.011times 10^{-4}T}$$ +$$frac{4.715 times 10^9} {T^{2}}$$ exp($$frac{-16361}{T}$$) where...$$lambda$$$$_{0}$$: Thermal conductivity of fully dense MOX fuel for fast reactor (W/mK). T: Temperature (K). O/M: Oxygen-to-metal ratio (-). The above correlation could be applied for fully dense and typical MOX fuel pellet of fast reactor ranging from room temperature up to melting point.

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