燃料挙動解析コードパッケージFEMAXIの機能拡充; 軽水炉燃料の反応度事故時挙動解析モジュールRANNSの開発と検証

Extension of fuel performance code package FEMAXI; Development and validation of reactivity-initiated accident analysis module RANNS for light water reactor fuels

田崎 雄大 ; 宇田川 豊  

Tasaki, Yudai; Udagawa, Yutaka

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という。)では、軽水炉燃料の通常運転時及び過渡条件下の挙動評価を目的として、燃料挙動解析コードFEMAXIを開発してきた。2019年3月には、同コードとして初めて体系的な検証と性能評価を行ったFEMAXI-8を公開し、以降も様々な改良を続けている。並行して、原子力機構では2000年代より、設計基準事故(DBA)解析用のブランチとしてRANNSモジュールの開発を進めてきた。RANNSは、DBA条件、ここでは主に反応度事故(RIA)の様な非常に急峻な過渡に対しても燃料挙動を追跡できるよう、特に計算の安定性を重視しつつ、このような過渡挙動を適切に予測する上で重要な沸騰熱伝達、粒界分離を伴うFPガス放出、破壊力学指標に基づく被覆管破損判定などを特有のモデルとして備えている。本報告では、これら事故時挙動解析向けモデルの解説やプログラムの設計・構造におけるFEMAXIとの関係に加え、原子力機構が研究炉NSRRを用いて実験を実施し、蓄積してきた膨大なRIA実験データによる大規模検証の結果を示し、同モジュールの総合的なRIA解析性能を評価している。RANNSモジュールの公開に当たっては、パッケージ化されたFEMAXI/RANNSとしてユーザへ提供する予定であり、これにより広い条件での燃料挙動を解析することが可能となる。また、検証解析を通じて一定の性能が確認されたモデルパラメータセットも本報告内で提示しており、これを参照することで、これまで公開してきたFEMAXI-8とユーザビリティは殆ど変わることなく、また解析者の力量に大きく依存することなく、事故時挙動解析の実行が可能である。

Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has been developing a fuel performance code, FEMAXI, to evaluate the behavior of LWR fuels under normal operation and transient conditions. In March 2019, FEMAXI-8, the first systematically validated and performance evaluated code, was released. Since then, the code has undergone various improvements. In parallel, since the 2000s, JAEA has been developing the RANNS module as a branch for design basis accident (DBA) analysis, with a particular emphasis on computational stability, so that fuel behavior can be tracked even for very steep transients, in this case mainly reactivity-initiated accidents (RIAs). The specific models include boiling heat transfer, fission gas release by grain boundary failure, and cladding failure determination based on fracture mechanics parameters, which are essential for predicting such transient behavior. In this report, prior to the release of RANNS, we present a description of the models for accident behavior analysis, the relationship with FEMAXI-8 in terms of the design and structure of the program, and the results of a large-scale validation using the extensive database of RIA experiments conducted and accumulated by JAEA, to evaluate the overall RIA analysis performance. The code will be made available to users as a packaged FEMAXI/RANNS, enabling them to analyze fuel behavior under various conditions. The model parameter sets determined through the above validation analyses are also presented in this report, and by referring to them, the analysis can be easily performed with almost no change in usability from the previously released FEMAXI-8.