The Effects of plutonium content and self-irradiation on thermal conductivity of mixed oxide fuel

混合酸化物燃料の熱伝導率に及ぼすプルトニウム含有率と自己照射の影響

生澤 佳久   ; 森本 恭一 ; 加藤 正人   ; 齋藤 浩介; 宇埜 正美*

Ikusawa, Yoshihisa; Morimoto, Kyoichi; Kato, Masato; Saito, Kosuke; Uno, Masayoshi*

混合酸化物燃料の熱伝導率に及ぼすプルトニウム含有量と自己照射の影響を評価した。熱伝導率の測定試料は、UO燃料および数種類のMOX燃料である。MOX燃料は、数種類のプルトニウム含有量及び、20年間保管したものである。これらの試料の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により得られた熱拡散率測定値から決定した。プルトニウム含有量の増加に伴い熱伝導率は低下したが、この効果はわずかであった。保管されたMOX燃料の試料を用いて、自己照射の効果を調べた結果、自己照射による熱伝導率の低下は、プルトニウム含有量、同位体組成および保管期間に依存することが分かった。格子パラメータの変化から、20年間の保管による熱伝導率の低下を予測することが可能であり、また、自己照射による熱伝導率の低下は、熱処理により回復し、1200Kを超える温度でほぼ完全に回復した。これらの評価結果から、フォノン伝導モデルに基づく熱伝導率を定式化した。この式は、プルトニウム含有量と自己照射の影響を考慮し、MOX燃料の熱伝導率を予測することができる。

This study evaluated the effects of plutonium content and self-irradiation on the thermal conductivity of mixed-oxide (MOX) fuel. Samples of UO fuel and various MOX fuels were tested. The MOX fuels had a range of plutonium contents, and some samples were stored for 20 years. The thermal conductivity of these samples was determined from thermal diffusivity measurements taken via laser flash analysis. Although the thermal conductivity decreased with increasing plutonium content, this effect was slight. The effect of self-irradiation was investigated using the stored samples. The reduction in thermal conductivity caused by self-irradiation depended on the plutonium content, its isotopic composition, and storage time. The reduction in thermal conductivity over 20 years' storage can be predicted from the change of lattice parameter. In addition, the decrease in thermal conductivity caused by self-irradiation was recovered with heat treatment, and recovered almost completely at temperatures over 1200 K. From these evaluation results, we formulated an equation for thermal conductivity that is based on the classical phonon-transport model. This equation can predict the thermal conductivity of MOX fuel thermal conductivity by accounting for the influences of plutonium content and self-irradiation.