炉外圧縮試験による高速炉燃料ピンバンドル変形挙動評価

Evaluation of bundle duct interaction by out-of-pile compression test of FBR fue1 pin bundles

田中 康介  ; 山本 祐二; 永峯 剛; 前田 宏治  

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高速炉燃料集合体の寿命制限因子の一つであり、燃料の高燃焼度化を達成する上での課題となっている燃料ピン束(バンドル)と集合体ラッパ管(ダクト)との間の機械的な相互作用(Bundle Duct Interaction : BDI)について、その挙動を把握することを目的として、原型炉燃料の短ワイヤピッチ仕様及び短ワイヤピッチ太径仕様のバンドルについてX線CT技術を利用した炉外圧縮試験を実施し、過去に取得している複数仕様のバンドルにおける炉外圧縮試験結果とあわせてBDI発生時におけるバンドル変形挙動を検討した。得られた結果は以下のとおり。(1)短ワイヤピッチバンドルでは長ワイヤピッチバンドルに比べて、より高いBDI量でピン-圧縮板接触が発生する傾向を示した。これは短ワイヤピッチピンの湾曲剛性が高いことに起因すると考えられる。(2)長ワイヤピッチバンドルでは外径肉厚比の違いによりピン-圧縮板接触時期に明確な差異は認められないが、短ワイヤピッチバンドルでは外径肉厚比の大きい仕様において、より高いBDI量でピン-ダクト接触時期が発生する結果となった。これは長ワイヤピッチピンでは同一荷重に対する扁平量が小さいため、外径肉厚比で決まる扁平比剛性の影響が現れなかったのに対して、短いやピッチピンでは扁平化の寄与が大きいため、ピン仕様に対応する扁平化剛性の差がピン-ダクト間距離の減少程度の差として現れたと考えられる。(3)BDI量の増加に伴うワイヤディスパージョン及びピンディスパージョンの発生状況を検討した結果、ワイヤピッチが長いほど発生が早期化し、その程度も大きくなることがわかった。(4)長ワイヤピッチバンドルにおいては弾性変形範囲内の扁平化とピン及びワイヤディスバージョンの発生によりBDIが緩和されることがわかった。 一方、短ワイヤピッチバンドルにおけるBDI緩和機構は被覆管の扁平化が支配的であり、同一ワイヤピッチであるバンドルではBDIの緩和程度の差はそれぞれのバンドルを構成する各ピンの扁平化剛性の差で決まるものと考えられる。 (5)燃料ピン被覆管の外径軸方向プロファイルにおけるワイヤピッチの1/6ごとの規則的なオーバリティの発現は、BDI荷重の存在を示唆するものであると考えられる。

Bundle duct interaction (BDI) caused by expansion of fuel pin bundle is a main factor to limit the fuel lifetime. Therefore, it is important for the design of fast reactor fuel assembly to understand the fuel pin deformation behavior under BDI condition. In order to understand the fuel pin deformation behavior under BDI condition, out-of-pile compression tests were conducted for FBR fuel pin bundle by use of X-ray CT equipment. In these compression tests, two kinds of fuel pin bundles were conducted. 0ne was the fuel pin bundle with the short wire-pitch and the other was the fuel pin bundle with the short wire-pitch and large diameter claddings. The general discussions were also performed based on the results of out-of-pile compression tests obtained by use of X-ray CT equipment in the previous work. Following results were obtained. (1)The occurrence of the pin-to-duct contact depends on the wire-pitch. In the fuel pin bundle with large wire-pitch, the pin-to-duct contact occurred at the early stage of BDI. The reason of this result is due to the low bowing rigidity of the fuel pins with long wire-pitch. (2)The value of the ovalation stiffness strongly depends on the geometry of cladding (diameter, thickness) and especially on wire-pitch. This result in this work revealed that the occurrence of the pin-to-duct contact depends on the value of the ovalation stiffness. (3)The occurrence of wire dispersion and dispersive displacement of pins depends on the wire-pitch strongly. In the fuel pin bundle with the long wire-pitch, the occurrence of the above-mentioned suppression mechanism to BDI is remarkable. (4)The suppression mechanism to BDI of the fuel pin bundle with the long wire-pitch is elastic oval deformation of cladding, wire dispersion and dispersive displacement of pins. 0n the other hand, the elastic and plastic oval deformation of cladding is the major suppression mechanism to BDI in the fuel pin bundle with the short wire-pitch. (5)The appearance ...