Development of mechanistic fuel property model and irradiation behavior analysis code for mixed oxide fuel

混合酸化物燃料の機構論的物性モデルと照射挙動解析コードの開発

生澤 佳久   ; 小澤 隆之   ; 加藤 正人   

Ikusawa, Yoshihisa; Ozawa, Takayuki; Kato, Masato

酸化物燃料は最も使用されているタイプの燃料であり、実用化されている酸化物燃料はUO燃料,MOX燃料がある。またMOX燃料は、Pu含有率約15wt%以下の低Pu含有MOX燃料は軽水炉で使用され、20wt%を超える高Pu含有MOX燃料は高速炉で使用される。MOX燃料はPu含有率により物性が変化する。また、軽水炉と高速炉では使用環境の違いから、MOX燃料の照射挙動は大きく異なる。このような背景から、低Pu含有MOX燃料と高Pu含有MOX燃料の物性研究、照射挙動の研究、照射挙動解析コードの開発は別々に行われてきた。一方、我々は様々なMOX燃料サンプルの物性を測定してきており、これら測定結果に基づき機構論的燃料物性モデルの開発を行っている。この機構論的燃料物性モデルは、MOX燃料物性を決定づける因子をパラメータとし、あらゆる仕様のMOX燃料の物性を評価することが出来るモデルを目指している。この機構論的物性モデルに基づき整備開発された照射挙動解析コードは、燃料タイプによらない汎用性のあるコードとなる可能性がある。本研究では、汎用性のある照射挙動解析コードの開発のファーストステップとして、機構論的燃料物性モデルを採用した照射挙動解析コードの燃料温度解析機能について、高速炉実験炉常陽、ハルデン炉で照射されたMOX燃料の試験データに基づき確認を行った。酸化物燃料の照射中の燃料温度は、様々な照射挙動に影響を与える。そのため、照射中の燃料温度を正確に予測することが、酸化物燃料の照射挙動の正確な予測のための第一歩である。ハルデン炉で照射された低Pu含有MOX燃料と、高速実験炉常陽で照射された高Pu含有MOX燃料を対象に、燃料中心温度を確認した。その検証の結果、機構論的燃料物性モデルを採用することで低Pu含有率から高Pu含有率MOX燃料の照射中の燃料温度を評価できることを確認した。

MOX is one of the most typical nuclear fuel. MOX fuel is divided into two categories. One is low Pu contained MOX fuel, which is used in light water reactors, with Pu content of less than 15 wt%. The other is high plutonium contained MOX fuel, which is used in fast reactors, with Pu content of more than 20 wt%. The physical properties of MOX fuel are depended on Pu content. In addition, the irradiation behavior of MOX fuel is significantly different between LWRs and FRs due to the difference in these operating environments. Therefore, various studies of MOX fuel have been conducted separately for LWR and FR. In our facility, MOX physical properties, such as thermal conductivity, melting point, and specific heat, have been measured using various MOX fuel samples. Based on these measurements, a mechanistic MOX fuel property model has been developed. This model can evaluate the physical properties of MOX fuel for any specification. Irradiation behavior analysis codes developed based on this property model might have the potential to be a general-purpose code that can evaluate the behavior of any MOX fuel. In this study, as a first step of development of a general-purpose irradiation behavior analysis code, the fuel temperature analysis function of the irradiation analysis code "DIRAD" was confirmed by using the data of high Pu contained MOX fuel irradiated in JOYO and low Pu contained MOX fuel irradiated in Halden. As the result, it was confirmed that the fuel temperature of low to high Pu contained MOX fuel could be evaluated by using DIRAD code adopting the property model.