UO/Zr反応拡散対に対するフェーズフィールド解析

Phase-field analysis for diffusion couple between UO and Zr

西田 侑樹*; 塚田 祐貴*; 小山 敏幸*; 倉田 正輝 

Nishida, Yuki*; Tsukada, Yuki*; Koyama, Toshiyuki*; Kurata, Masaki

過酷事故では、燃料ペレット(主成分UO)と被覆管(主成分Zr)が相互作用し、界面近傍に、低融解温度の層が形成されると考えられている。従来、シビアアクシデント解析コード等では、約1900Cで溶融が始まると言う簡素化モデルを用いている。しかし、材料科学的にU-Zr-Oの三元系を検討すると、原理的には、それより低い温度で液相出現すると考えられる。本研究では、フェーズフィールド法解析モデルを開発し、液相出現条件を検討した。1500Cのモデル計算では、成分の相互拡散過程において液相が準安定的に存在しうることを示した。また、液相だけでなく、UO相やZr金属相等の関係する固相で、スピノーダル分解が起こる可能性が高く、これが層構造形成を加速化する可能性を見いだした。

In a severe accident of light water reactors, interaction layers are formed between UO pellet and Zry cladding in the beginning stage. The melting temperature of a part of layers are rather lower than that of Zry cladding. In the present study, a base MPFM model was developed for understanding solid-solid diffusion and layer formation between UO and Zr, which are major constituents of pellet and cladding, respectively. Then, liquefaction condition of each layer was discussed using MPFM model. Model calculation indicates that meta-stable liquid phase is possibly formed in intermediate stage of mutual diffusion even at 1773 K, which is far lower than melting temperature of Zry. Also, in case of mutual diffusion between UO and Zr, spinodal separation of each phase potentially accerelates the layer formation.