Study on the mechanism of diametral cladding strain and mixed-oxide fuel element breaching in slow-ramp extended overpower transients

過出力事象下の混合酸化物燃料ピンの被覆管外径歪みと破損機構の検討

上羽 智之 ; 前田 誠一郎 ; 水野 朋保; Teague, M. C.*

Uwaba, Tomoyuki; Maeda, Seiichiro; Mizuno, Tomoyasu; Teague, M. C.*

米国EBR-II炉において70-90%の過出力試験を実施した混合酸化物燃料ピンについて、燃料/被覆管機械的相互作用(FCMI)による被覆管外径歪みを評価した。評価では、過出力時の被覆管歪み増分(過渡歪み)を、被覆管材料強度式に基づき累積損傷和(CDF)と関連させた。破損が生じた低強度被覆管の高スミア密度中実燃料ピンでは、CDFが破損目安の1.0に近づいたときに、被覆管の熱クリープ歪みが3次クリープにより急速に増加し、過渡歪みの約半分を占めると評価された。一方、低スミア密度中空燃料ピンでは、FCMIが顕著に緩和されたために過渡歪みがほとんど生じなかったと解釈できた。この中空燃料ピンではCDFが過出力試験末期で0.01と小さく、破損に対して十分な裕度を持つことが示された。高スミア密度の中実燃料ピンにおいても、高強度の被覆管と組合せた場合は、過出力時にも十分な破損裕度が確保されることが示された。

Cladding strain caused by fuel/mechanical interaction (FCMI) was evaluated for mixed-oxide fuel elements subjected to 70-90% slow-ramp extended overpower transient tests in EBR-II. Calculated transient-induced cladding strains were correlated with cumulative damage fractions (CDFs) using cladding strength correlations. In a breached high-smeared density solid fuel element with low strength cladding, cladding thermal creep strain was significantly increased to approximately half the transient-induced cladding strain due to the tertiary creep when the CDF was close to the breach criterion (= 1.0). In low-smeared density annular fuel elements, FCMI load was significantly mitigated and resulted in little cladding strain. The CDFs of the annular fuel elements were lower than 0.01 at the end of the overpower transient, indicating a substantial margin to breach. A substantial margin to breach was also maintained in a high-smeared density fuel element with high strength cladding.