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Oxygen potential and self-irradiation effects on fuel temperature in Am-MOX

Am-MOXの燃料温度における酸素ポテンシャルと自己照射の効果

生澤 佳久; 廣岡 瞬; 宇埜 正美*

Ikusawa, Yoshihisa; Hirooka, Shun; Uno, Masayoshi*

放射性廃棄物削減の観点からMA-MOX燃料の研究開発が進められている。MA-MOX燃料の開発には、MA添加が照射挙動に及ぼす影響を明らかにすることが不可欠である。AmのMOXへの添加は、燃料温度を評価する上で重要な物性である蒸気圧および熱伝導率に影響を与える。これは、蒸気圧が燃料の再構成に影響を与え、熱伝導率が燃料温度分布に影響を与えるためである。本研究では、これらの物性に着目し、照射挙動解析コードを用いてAmによる照射中の燃料温度への影響を評価した。Am含量率の増加は、熱伝導率を低下させ、酸化物燃料の酸素ポテンシャルを増加させる。Am含量率の増加により、蒸気圧が増加するため、ポア移動速度が速まり、中心空孔径が拡大する。その結果、中心空孔の形成後においては、Am含有が燃料中心温度に及ぼす影響は軽度であった。また、アルファ崩壊による自己照射は、熱伝導率に影響を与えることが知られている。Amは典型的なアルファ放射性核であるため、Am-MOXの燃料温度を評価するためには、自己照射が熱伝導率に及ぼす影響を考慮する必要があり、その影響を評価した。自己照射によって熱伝導率が低下し、Am含有量が増加すると熱伝導率の低下率が加速されるが、温度上昇に伴って回復する。そのため、自己照射による熱伝導率の低下が燃料中心温度に与える影響はわずかであることが分かった。これらの結果は、従来のMOX燃料と同じ条件下でAm-MOX燃料を照射できることを示唆している。

Research and development of Minor actinides (MAs) bearing MOX fuel for fast reactor has been proceeding from the viewpoint of reducing radioactive waste. In order to develop, MA bearing MOX, it is indispensable to clarify the influence of MA addition on irradiation behavior. The addition of Americium (Am) to MOX affects vapor pressure and thermal conductivity, which are important properties from the perspective of evaluating fuel temperature. This is because vapor pressure affects fuel restructuring, and thermal conductivity affects fuel temperature distribution. Focusing on these physical properties, this study evaluates the influence of Am on fuel temperature using irradiation behavior analysis code to contribute to the development of MA-bearing MOX fuel. An increase in Am content decreases the thermal conductivity and increases the oxygen potential of oxide fuel. Because vapor pressure increases with increasing Am content, pore migration is accelerated, and the central void diameter increases with increasing Am content. As a result, after formation of the central void, the influence of Am content on the fuel center temperature is mild. Alpha particles generated by radioactive decay of transuranium elements cause lattice defects in the oxide fuel pellets. It is well known that this phenomenon, which is called self-irradiation, affects thermal conductivity. Since americium is the typical alpha radioactive nucleus, to evaluate fuel temperature of Am-MOX is necessary to take account of the influence of self-irradiation damage on thermal conductivity. Self-irradiation decreases thermal conductivity, and as the Am content increases, the rate of decrease in thermal conductivity is accelerated. Because it recovers with temperature rise, the decrease in thermal conductivity due to self-irradiation damage has very little effect on fuel center temperature. These results suggest that Am-MOX fuel could be irradiated under the same conditions as conventional MOX fuel.

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