燃料挙動解析コードFEMAXI-8の燃料結晶粒内ガス移行モデル改良

Improvement of intragranular fission gas behavior model for fuel performance code FEMAXI-8

宇田川 豊  ; 田崎 雄大 

Udagawa, Yutaka; Tasaki, Yudai

FEMAXI-8は、軽水炉燃料の通常運転時及び過渡条件下の挙動解析を目的として日本原子力研究開発機構が開発・整備を進めてきたFEMAXIコードの最新バージョンとして、2019年3月に公開された。本報告では、公開以降新たに整備を進めた、燃料結晶粒内核分裂生成物(FP)ガスバブルの多群/非平衡モデルについてまとめた。結晶粒内で様々なサイズを持って分布しているFPガスバブルを単一の大きさのガスバブルにより近似していた従来のモデルに対し、このモデルでは、バブルサイズに関する2群以上の群構造と非平衡な挙動の双方を表現することが出来る。これによって、妥当なオーダーのガスバブル圧力算定が可能となるなど、主に過渡的な挙動の再現性改善が見込めると共に、粒内FPガスバブル挙動についてより厳密な記述が可能となり、FP挙動モデリング全体としての高度化余地が拡大している。今回のモデル整備では、まず、任意の群数や空間分割に対応する粒内FP挙動解析モジュールを開発した。次に、FEMAXI-8上で容易に運用可能な2群モデルとして扱うため、同モジュールとFEMAXI-8間のインタフェースを開発し、両者を接続した。これによりFEMAXI-8から利用可能となった2群モデルについては改めて検証解析を実施した。多群/非平衡モデル適用時にも一定の性能を確保できるモデルパラメータを決定し、公開パッケージ向けに整備した。

Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has released FEMAXI-8 in 2019 as the latest version of the fuel performance code FEMAXI, which has been developed to analyze thermal and mechanical behaviors of a single fuel rod in mainly normal operation conditions and anticipated transient conditions. This report summarizes a newly developed model to analyze intragranular fission gas behaviors considering size distribution of gas bubbles and their dynamics. While the intragranular fission gas behavior models implemented in the previous FEMAXI versions have supported only treating single bubble size for a given fuel element, the new model supports multiple gas groups according to their size and treats their dynamic behaviors, making the code more versatile. The model was first implemented as a general module that takes arbitrary number of bubble groups and spatial mesh division for a given fuel grain system. An interface module to connect the model to FEMAXI-8 was then developed so that it works as a 2 bubble groups model, which is the minimum configuration of the multi-grouped model to be operated with FEMAXI-8 at the minimum calculation cost. FEMAXI-8 with the new intragranular model was subjected to a systematic validation calculation against 144 irradiation test cases and recommended values for model parameters were determined so that the code makes reasonable predictions in terms of fuel center temperature, fission gas release, etc. under steady-state and power ramp conditions.