Evaluation of creep damage and diametral strain of fast reactor MOX fuel pins irradiated to high burnups

高燃焼度まで照射した燃料ピンの健全性評価

上羽 智之 ; 十亀 求; 伊藤 昌弘*; 水野 朋保; 堂野前 貴子  ; 勝山 幸三 

Uwaba, Tomoyuki; Sogame, Motomu; Ito, Masahiro*; Mizuno, Tomoyasu; Donomae, Takako; Katsuyama, Kozo

燃料ピンの寿命決定因子の一つであるクリープ損傷を、ピン平均燃焼度で120GWd/t以上の高燃焼度を達成したオーステナイト鋼被覆管によるMOX燃料ピンを対象に評価した。ピン内圧によるクリープ損傷の程度を累積寿命損傷和(CDF)によって評価した結果、燃焼末期におけるCDFは10から10と非常に小さな値になり、燃料ピンにはクリープ損傷による破損に対し十分な余裕があることが示された。燃料ピンの支配的な寿命制限因子を検討するため、ピン平均燃焼度を140GWd/tまで延長した場合のCDFと外径増加を予測し、それぞれに対して暫定的に定めた制限値と比較した。その結果、燃焼度延長に伴い被覆管のスエリングが大きくなることにより、外径増加が制限値に達する時期がCDFよりも早期になることが示された。これより、オーステナイト鋼被覆管の燃料ピンの場合は、被覆管スエリングが大きくなるため、寿命はクリープ損傷よりも外径増加に事実上は支配されると考えられる。

In determining lifetime criteria of fast reactor fuel pins, creep damage due to fission gas pressure on mixed-oxide fuel pins with austenitic stainless steel cladding successfully irradiated to high burnups (120 GWd/t or higher pin averaged burnup) was evaluated. The degree of creep damage of these fuel pins was expressed as cumulative damage fractions (CDFs), defined so that cladding breaching occurs when the CDF exceeds 1.0. The obtained CDFs for typical high temperature fuel pins were on the order of 10-10 at the end of irradiation, indicating that these fuel pins had large safety margins against breaching due to creep damage. In order to investigate the factors that govern the lifetime of fuel pins, pin diametral increase as well as CDF were predicted in cases of extended burnups from 120 GWd/t onward, and then were compared with tentatively determined limit values. The predicted pin diametral increase reached its limit value earlier than the CDF because of a significant increase in the cladding void swelling, suggesting that lifetimes of fuel pins with austenitic stainless steel cladding are practically governed by the diametral increase rather than by the creep damage.