Preliminary analysis on fission gas release of MOX fuel in consideration of the heterogeneous structure

非均質な組織構造を考慮したMOX燃料のFPガス放出に関する予備解析

田崎 雄大 

Tasaki, Yudai

軽水炉で用いられる燃料棒の内部では、核分裂に伴いFPガスがペレットからある割合で放出され、密閉された燃料棒の内圧を上昇させる。この圧力上昇が過度になると被覆管の破損に繋がる可能性があることから、燃料の設計や安全評価においてはFPガス放出率を評価することが重要である。そのため、原子力機構ではFPガス放出率を含めた軽水炉燃料棒のふるまいを評価するために、燃料ふるまい解析コードFEMAXIを開発している。しかしながら、MOX燃料のような製造方法によって微細組織の非均質性に違いが出る燃料を解析対象とする場合、FEMAXIの持つFPガス放出モデリングは1種類の結晶粒しか用意していないため、この違いを考慮した解析ができない。MOX燃料のFPガス放出メカニズムを実験結果に基づきFEMAXIで詳細に調べるためには、この違いを考慮したFPガス放出モデルの改良が必要である。この研究では、プルトニウム組成の異なる2種類の結晶粒を設け、それぞれから放出されるFPガスをこれらの結晶組織が占める体積割合で加重平均するモデルを考えた。そして、ペレット内結晶組織の均質性に違いがある2つのMOX燃料の試験炉照射試験結果について、改良モデルを使用したケースと使用しなかったケースを解析・比較したところ、実験結果に見られる傾向と定性的な一致が見られ、今回導入したモデルの考え方が妥当であることが分かった。

Fuel pellets contained in a fuel rod of a light water reactor release some degree of FP gas, and it raises inner gas pressure of the fuel rod. It is important for fuel design and safety evaluation to estimate fission gas release ratio (FGR), since excessive inner gas pressure may impair fuel integrity. Therefore, JAEA develops fuel performance code FEMAXI for evaluating various fuel behaviors. However, FEMAXI has limited capability for considering FGR in case of evaluating to compare MOX fuels which have different microstructures arised from the difference of production method. Because, FGR model of FEMAXI can apply only one kind of fuel grain. From the above, it is necessary to acquire sufficient understanding of MOX fuel behavior based on experimental data, and FGR modeling has to be improved accordingly. This study modified FGR model so that two kinds of grains with respect to Pu enrichment get applicable and released fission gas values from them are applied weighted average based on volume occupancy ratio of each structures. Upon analyzing two types of MOX fuels, the different homogeneity of microstructure, with and without the modified FGR model, then comparing the experimental data provided by a testing reactor, analytical results of FGR captured tendency of experimental data qualitatively. Hence, it was revealed that modified FGR model is valid for evaluating FGR in consideration of the heterogeneous structure of MOX fuel.