An Experimental study related to axial constraint of fuel rod under LOCA conditions

LOCA条件下における燃料棒の軸方向拘束に関する実験的研究

永瀬 文久 

Nagase, Fumihisa

冷却材喪失事故において、酸化されたZr合金被覆管がスペーサーグリッドにより急冷時に強く拘束されると燃料の破損限界が低下する。したがって、軸方向拘束の現実的なレベルを推定することが、燃料の安全性に関するひとつの課題である。本研究では、PWR型模擬燃料セグメントと33グリッド片からなる試験体を、水蒸気中で加熱,冷却、および急冷し、燃料セグメントにかかる軸方向拘束力を測定した。ジルカロイ製グリッドの拘束力は温度とともに徐々に低下した。1060K以上に加熱されると、拘束力の低下は回復しにくく、冷却および急冷時の最大拘束力は以下10Nであった。インコネル製グリッドについては、拘束力が以上1070Kで明らかに減少したが、冷却により部分的に回復した。インコネル製グリッドによる最大拘束力は20から50Nであった。従来研究で予測されたような非常に強い拘束は、グリッド位置での酸化,膨れ,破裂、または共晶形成によって起こる可能性は一般的には低い。

The fracture threshold of the fuel decreases if the oxidized Zr alloy cladding is strongly constrained by the spacer grid during quenching in a loss-of-coolant accident. Therefore, the estimation of realistic levels of the axial constraint has been a subject of significant interest on fuel safety. In this study, a test assembly consisting of a PWR-type simulated fuel segment and a 33 grid piece was heated in steam, cooled, and quenched, and the axial constraint force on the fuel segment was measured. The constraint force of the Zircaloy grid gradually decreased with temperature. Once the Zircaloy grid was heated to 1060 K, the reduced constraint force had difficulty recovering, and thus the maximum constraint force during cooling and quenching was 10 N. The constraint force was clearly reduced at 1070 K during the tests with the Inconel grid. However, the reduced constraint force partially recovered during cooling. As a result, the maximum constraint force during cooling and quenching was 20 to 50 N for the Inconel grid. In conclusion, oxidation, ballooning, rupture, or eutectic formation would not generally cause an extremely strong constraint, as predicted by previous studies, at the grid position.