Analysis of high burnup BWR fuel experiments with RANNS code

RANNSコードによる高燃焼度BWR燃料実験の解析

宇田川 豊  

Udagawa, Yutaka

RANNSコードを用いて、共通の仕様及びベース照射履歴を持つ一連の高燃焼度BWR燃料について、NSRRのパルス照射下におけるPCMIふるまいを解析した。解析対象は、88ステップIIのBWR燃料をパルス照射した、FKシリーズの6, 7, 8, 9, 10, 12である。ベース照射終了時の平均ペレット燃焼度は約61GWd/tUであった。解析の結果、比較的広い幅を持つパルスで照射されたFK-8では、パルス出力が有意なレベルを保つ極めて短い時間区間においても、ペレットからの除熱が有意なものであることがわかった。このため、同じ発熱量について比較すると、パルス幅が大きい照射ほど、ペレット熱膨張は小さい傾向がある。また計算により得られた応力及びひずみ履歴と、測定された破損時刻を用いて、燃料破損時における被覆管外周部の応力及びひずみを評価した。非破損であったFK-8における応力,ひずみの分布範囲と、他の破損ケースにおける破損応力,ひずみの分布範囲とは、明確に異なり、BWR燃料のPCMI破損における被覆管外周部の重要性を裏付けた。破損応力,ひずみは、FKシリーズの一連の燃料に対して、互いに近い値をとっており、同シリーズの燃料のマクロな力学的破損特性を反映していると考えられる。また破損応力,ひずみのばらつきは、ペレットや被覆管内のミクロ組織が内包するクラック,水素化物等の不規則性を反映していると考えられる。

With the RANNS code, analyses of PCMI behavior were performed for high burnup BWR fuel series with identical specification and base irradiation history in order to investigate mechanical conditions at PCMI failure in pulse-irradiation tests in the NSRR. The target of analysis is FK-series consisting of FK-6, 7, 8, 9, 10 and 12. The FK-series rod is a typical BWR 88 step II fuel and was subjected to base irradiation in Fukushima-Daini power plant for 8 years up to pellet average burnup of 61 GWd/tU before pulse-irradiation in the NSRR. Heat removal from pellet is significant in FK-8 due to relatively wide pulse. Therefore, for a similar amount of energy deposition in fuel rod, wide pulse tends to cause small pellet thermal swelling, which explains small hoop strain in cladding periphery in the FK-8 considering its energy deposition. Based on calculated stress, strain and measured failure time, cladding stress and strain at PCMI failure were estimated, which revealed the following features. Estimated failure stress and strain in cladding periphery distribute in narrow ranges and definite thresholds exist between failure and non-failure cases. This clear trend of grouping suggests the importance of cladding periphery in PCMI behavior of BWR fuel. Magnitude of failure stresses and strains macroscopically represents the degree of resistance of the FK-series cladding against crack propagation by PCMI, while deviation reflects randomicities which are dependent on local mechanical conditions, distribution of crack in pellet, orientation of zirconium-hydride in cladding, and so on.