未照射燃料粉末を用いた高温燃料・水間熱的相互作用の挙動評価試験

Experimental evaluation of high-temperature fuel-coolant thermal interaction behavior using unirradiated fuel powder

三原 武 ; 浦野 建太; 宇田川 豊  ; 垣内 一雄 

Mihara, Takeshi; Urano, Kenta; Udagawa, Yutaka; Kakiuchi, Kazuo

反応度事故(RIA)条件下で生じる照射済燃料の破損に伴って生じる機械的エネルギー(衝撃圧力や水撃力)は、燃料の細片化状態及び温度に強く依存する。低温で急速に破損するペレット/被覆管機械的相互作用(Pellet/Cladding Mechanical Interaction: PCMI)を原因とする破損では、FPガスの放出に伴ってペレット細片が水中を高速で移動し、水との超高効率な熱伝達により急激な蒸気発生が生じ、衝撃的なエネルギーが発生する。このことから、粒子表面積及びペレット細片の高速移動による極めて高い効率での熱伝達が重要な影響因子と考えられる。264-2実験及び264-24実験では、このようなRIA時に特有のペレット細片運動の駆動力が介在しない条件での燃料-水接触を模擬できるよう、試験条件を設計した。他方、264-24実験では、ペレット粒子の比表面積(単位重量あたりの表面積)を、これまで最も高かった高燃焼度燃料よりもさらに大きくなるように設計した。さらに、燃料エンタルピー(単位質量あたりの熱エネルギー)についても、従来の観測結果を踏まえ、高い機械的エネルギーの発生が期待される条件に設定した。この結果、バースト的なFPガス放出を駆動力としてペレット細片が急速に分散すると考えられる高燃焼度燃料のPCMI破損ケースと比較して、衝撃圧力及び水撃力のエネルギーのいずれも大きく下回り、機械的エネルギーの発生におけるペレット細片運動の駆動力の重要性が明瞭に示された。

Mechanical energy generated during fuel failure under reactivity-initiated accident (RIA) conditions, such as pressure pulse and water hammer, strongly depends on the fragmentation state and temperature of the fuel. When failure caused by pellet/cladding mechanical interaction (PCMI) occurs rapidly at low temperature, fission gas release drives pellet fragments to move at high velocity in water, leading to extremely efficient heat transfer between the fuel and coolant. This results in rapid vapor generation and the production of impulsive mechanical energy. These observations indicate that both the particle surface area and the highly efficient heat transfer associated with high-velocity fragment motion are key influencing factors. In the 264-2 and 264-24 experiments, test conditions were designed to simulate fuel-coolant interaction under conditions where the driving force for pellet fragment motion, which is characteristic of RIA events, is absent. In the 264-24 test, the specific surface area of the pellet particles (surface area per unit mass) was designed to exceed that of previously tested high-burnup fuels. In addition, the fuel enthalpy (thermal energy per unit mass) was set based on prior observations to conditions where significant mechanical energy generation is expected. As a result, both the pressure pulse and water hammer energies were significantly lower than those observed in high-burnup fuel failure cases, where the driving force for pellet fragment motion is considered to be present. This clearly demonstrates the critical importance of the driving force for pellet fragment motion in the generation of mechanical energy.