高速炉燃料からのHe放出挙動評価

Evaluation of helium gas release behavior in FBR fuel

勝山 幸三 ; 三次 岳志 ; 浅賀 健男

Katsuyama, Kozo; Mitsugi, Takeshi; Asaka, Takeo

高速炉燃料は照射中にXe, Kr, He等のガスを放出するため、ピン内圧が上昇し、これが燃料寿命制限要因の重要な一つとなっている。これまでXe,Krについては生成・放出される量が多いことから、その生成・放出について多くの研究がなされてきたが、Heについては十分な検討がなされていない。しかし、高燃焼度燃料(~150GWd/t)やAmを添加したマイナーアクチニド燃料では、生成・放出されるHe量が多くなると予想される。本研究では、燃料ピン内へ放出されるHeの直接定量手法を確立しこれまで推定していたHe量の妥当性を検証するとともに、He生成量を正確に把握した。さらにこれらのデータを用いて高速炉燃料からのHe放出挙動及びHeによるピン内圧への影響を評価した。主な結果を以下に示す。(1)He定量方法の確立燃料ピン内へ放出されるHeについて、ガス分析装置(ガスクロマトグラフ)のキャリアガスをHeからArに変更し、直接He量を定量する方法を確立した。照射済燃料ピンについてHe量を測定した結果、これまで全ガス量からFPガス量を差し引いて求めていたHe量は、直接測定された量と相違はなく、十分な信頼性を有するデータであることが明らかになった。(2)He生成量の計算(n,)反応からの生成について「常陽」の中性子エネルギースペクトルを考慮した反応断面積を算出した結果、同一燃焼度で比較すると炉心中心側で生成量が大きくなる傾向にあった。崩壊からのHe生成は照射前のAm含有量による影響が大きく、また、サイクルの間や、集合体を炉外に取出した後の冷却期間にも有意な量のHeが生成される。(3)He放出挙動の把握PIE結果より、燃料ペレットから放出されるHe量は燃焼度に比例して増加するが、He放出率は約50100%の範囲でばらついている。また、FPガスとの比較においては、FPガス放出率よりもHe放出率の方が高くなる傾向を示した。He放出率を100%したHe放出計算から高燃焼度MOX燃料ピンの内圧に及ぼすHe影響について検討した結果、燃焼度150GWd/tまでにおいてHeの寄与は5%以下であることがわかった。一方、マイナーアクチニド燃料(5wt%Am添加)を想定した計算では、Heは燃料ピン全内圧の2030%を占めることが予想され、今後設計等へ反映する必要がある。

Internal rod pressure of a FBR fuel pin is one of the important factors which restrict the lifetime of a fuel pin, because fission gases (krypton, xenon and helium) are released from fuel pellets to increase internal rod pressure with increasing burn-up. Due to their relatively higher fission yield, the release behavior of krypton and xenon have already been studied well. However, there are few studies on helium release behavior. It is supposed that substantial amount of helium gas is produced in high burn-up (150Gwd/t) MOX fuels and the fuels containing minor actinides. Therefore we established the quantitative measurement method of helium gas released from FBR fuels, and the helium gas release behavior was evaluated. The results are shown as follows. (1) Quantitative Measurement of helium gas. In order to measure the volume of helium gas, the carrier gas of gas-chromatograph was changed from helium gas to argon gas. Consequently, a direct measurement of helium gas in the irradiated fuel pins became possible. The comparison between present method and the previous one made clear that the data obtained in the previous method were reliable. (2) Calculation of helium generation. Helium generation was calculated by considering decay, ternary fission of heavy nuclides elements, and (n, ) reaction of light elements in the MOX fuel. The calculation showed that the amount of helium production from (n, ) reaction is influenced by the neutron spectrum, and increased with increasing burn-up. The amount of helium from decay is influenced by the amount of trans-uranium elements such as Am-241, and by the length of cooling time after reactor shut down. (3) Helium gas release behavior. The amount of helium gas released from fuel pellets is increased with burn-up, and the helium gas release fraction varies from 50% to 100%. As compared to the case of fission gas release, the fraction of helium gas release is higher. In the case of ...