Influence of cladding-peripheral hydride on mechanical fuel failure under reactivity-initiated accident conditions

被覆管外周部の水素化物析出層が反応度事故条件下での機械的燃料破損に与える影響

富安 邦彦; 杉山 智之 ; 更田 豊志

Tomiyasu, Kunihiko; Sugiyama, Tomoyuki; Fuketa, Toyoshi

反応度事故条件下での燃料破損に対する被覆管水素脆化の影響を明らかにするため、未照射燃料棒を対象とするパルス照射実験をNSRRにおいて実施した。その結果、高燃焼度PWR燃料実験で観測されている「水素脆化の影響を受けたPCMI(ペレット-被覆管機械的相互作用)破損」を未照射燃料で実証した。被覆管外周部の水素化物析出層(水素化物リム)が薄いものほど破損時の燃料エンタルピは小さく、水素化物リムには表面亀裂が容易に生じた。これは、水素化物リム厚さと同等の深さを有する亀裂を仮定した場合の応力拡大係数と破損限界との間に強い相関があることを示す。よって、水素化物リムの形成が、高燃焼度燃料において破損限界が低下する主たる要因であると結論する。また本研究は、PCMI時の被覆管に対する力学解析及び実験結果に基づき、水素化物リムに生じる脆性亀裂から生じる被覆管貫通亀裂の生成過程を提唱する。

In order to investigate the influence of hydrogen embrittlement on fuel failure under reactivity-initiated accident (RIA) conditions, pulse irradiation experiments were performed with unirradiated fuel rods at the NSRR. The present study demonstrated hydride-assisted PCMI failure which has been observed in high burnup fuel experiments. The fuel enthalpy at failure was lower when the cladding had thicker hydride rim where surface cracks were easily generated. It indicates that the failure limit is highly correlated with the stress intensity factor assuming that the crack depth is equivalent to the hydride rim thickness. Hence we conclude that hydride rim formation is the primary factor of decreasing the failure limit for high burnup fuels. Based on the experimental results together with an analysis on cladding mechanical state during PCMI, the present study suggests a process of through-wall crack generation which is originated with brittle cracking within the hydride rim.