Behaviour of high burnup PWR fuels during simulated reactivity-initiated accident conditions

反応度事故条件下における高燃焼度PWR燃料の挙動

更田 豊志; 杉山 智之 ; 梅田 幹 ; 富安 邦彦; 笹島 栄夫 

Fuketa, Toyoshi; Sugiyama, Tomoyuki; Umeda, Miki; Tomiyasu, Kunihiko; Sasajima, Hideo

NSRRにおけるパルス照射実験の成果をもとに、反応度事故(RIA)条件下における高燃焼度PWR燃料の挙動について論じる。欧州の動力炉で使用されたZIRLO, MDA, NDA, M5被覆管を備えた燃焼度6779MWd/kgUの高燃焼度PWR燃料を対象に実施した最新の実験の結果を示すとともに、燃料破損しきい値,被覆管の変形挙動,FPガス放出に対する燃焼の進行,被覆管の腐食,ペレット結晶粒径の影響などについて記す。燃料ペレット/被覆管機械的相互作用(PCMI)による燃料破損に至った実験の結果は、燃料破損しきい値(破損時燃料エンタルピ)が被覆管外周部の水素化物集積層の厚さと強い相関を持ち、結果として、被覆管外面酸化膜厚さと相関を持つことを示している。FPガス放出はピーク燃料エンタルピが高くなるほど増加するが、燃料ペレットの大粒径化がFPガス放出を抑制する効果を有することが示された。被覆管表面における沸騰遷移を生じたケースにおける被覆管の大きな変形は、燃料棒の内圧上昇と温度上昇による被覆管降伏応力の低下とが起因となるが、一方、被覆管の温度上昇がわずかなPCMIの段階では、燃料棒の変形は燃料ペレットの固体熱膨張のみに支配される。

By using pulse-irradiation capability of the NSRR, JAEA continues to perform experiments simulating fuel behaviour during reactivity-initiated accidents (RIAs). The recently-tested fuels include those irradiated in European PWRs and have burnups of 67 to 79 MWd/kgU. Cladding materials of these tested rods are Zirlo, M5, MDA and NDA. The tests resulting in the PCMI failure indicate that the fuel enthalpy at failure correlates closely with the thickness of the hydride rim, and in turn with the oxide layer thickness. Fission gas release during the RIA transient is highly dependent on the peak fuel enthalpy, and a higher enthalpy causes a larger fission gas release. Pellets with a larger grain size may have a suppression effect on the release. When DNB occurs during the transient, the large cladding deformation is caused by the increase of the rod internal pressure in combination with the decreased yield stress of the cladding at an elevated temperature. In the phase of the PCMI, the deformation is driven only by solid thermal expansion of fuel pellets.