FBR安全性試験炉のドライバー燃料ピン熱設計手法の整備

Preparation of a thermal-hydraulic design method for driver core fuel pins of a new in-pile experimental reactor for FBR safety research

水野 正弘*; 山口 勝久; 宇都 成昭  

Mizuno, Masahiro*; not registered; Uto, Nariaki

核燃料サイクル開発機構ではFBRの実用化に向けて必要となる各種炉内試験を実施するための、FBR安全性試験炉SERAPH(Safety Engineering Reactor for Accident PHenomenology)の設計研究を実施してきた。SERAPHでは種々の過渡試験が予定されているが、ドライバー炉心の試験遂行性能を評価し、関連する設計課題の明確化並びに試験ニーズの適正化を図るには、設計成立性に大きく影響するドライバー燃料ピンの熱設計許容範囲を把握することが不可欠である。そこで本報では、2次元非定常熱伝導解析コードTAC-2Dと汎用非線形構造解析コードFINASを結合した燃料ピン熱設計手法を考案・整備した。TAC-2Dについては、評価上許容し得る空間メッシュ及び時間きざみ幅を確認するとともに、熱設計上特に重要となる燃料ペレット及びギャップ部の伝熱特性の評価精度を向上させるため、非定常計算時に物性値の温度依存性を考慮できる機能の付加、ギャップ熱伝達モデルの改良、ギャップ可変モデルの組み込みをオリジナルコードに対して行った。FINASについては、過渡時の燃料ペレット熱応力特性を適切に評価し得る要素節点数及びメッシュ分割数について調べた。これらと合わせて、各コードの計算結果を整理するための後処理プログラムも作成した。本研究成果は、今後製造技術の成立性を含めたSERAPHドライバー燃料ピンの熱設計研究を促進するのに有効に反映される。

A design study of a new in-pile experimental reaetor, SERAPH (Safety Engineering Reactor for Accident PHenomenology). for FBR safety research has progressed at JNC (Japan Nuclear Cycle Development Institute). SERAPH is intended for various in-pile experiments to be performed under quasi-steady state and various transient operation modes. In order to evaluate the driver core performance in conducting such experiments, clarify the relating design issues to be resolved and refine the experimental needs, it is indispensable to comprehend the allowable margin for the thermal-hydraulic fuel pin design since it largely affects the strategy for the driver core design. This report presents a thermal-hydraulic design method for the driver core fuel pins, which is a combination of a two-dimensional time-dependent heat transfer analysis code TAC-2D and a general non-linear finite-element structural analysis code FINAS. In TAC-2D, the allowable spatial mesh and the time step sizes are evaluated. The code is modified so as to treat time-dependent thermal properties, include an improved gap heat-ransfer model and treat the change of intra-pin gap width under transient modes, for the purpose of improving the accuracy of evaluating heat transfer characteristics which gives a significant impact on the thermal-hydraulic design. As for FINAS, the number of element nodes and spatial meshes required to obtain adequate accuracy for the thermal stress characteristics of a fuel pellet during transient modes are investigated. In addition, post-processing tools are newly developed to process the calculation results obtained from these codes. The results of this work contribute to advancing the fuel pin design study for SERAPH as well with the investigation on the technique of manufacturing fuel pins.