Modeling of the P2M past fuel melting experiments with the FEMAXI-8 code

Mohamad, A. B.; 宇田川 豊

Nuclear Technology, 210(2), p.245 - 260, 2024/02

https://doi.org/10.1080/00295450.2023.2185061

In the Power to Melt and Maneuverability (P2M) project, a simulation exercise on two past power ramp experiments xM3 on medium burn-up rod and HBC4 on high burn-up rod were performed with the fuel performance code FEMAXI-8 to investigate the fuel behavior under high power and high-temperature conditions toward centerline fuel melting. In order to treat fuel melting, empirical melting temperature models have been incorporated into the FEMAXI-8 code. The present analysis gave reasonable predictions not only on cladding deformation but also on the fuel melting behavior of the HBC4 rod, in which the UO liquidus temperature was reached during the transient. On the other hand, model improvement appeared to be needed for a more accurate treatment of fuel melting behavior of the xM3 rod, in which fuel center temperature reached solidus line, whereas may not reached liquidus line. A reasonable agreement of estimated FGR with the measurement suggested that the high temperature FGR at the given conditions are essentially temperature dependent phenomenon: rate-limited primarily by thermally activated elementary processes such as fission gas diffusion.

FEMAXI-7 analysis for modeling benchmark for FeCrAl

山路 哲史*; 鈴木 直道*; 加治 芳行

IAEA-TECDOC-1921, p.199 - 209, 2020/07

FeCrAlの物理的特性モデルや照射挙動を共通条件として、FEMAXI-7によりベンチマーク解析を実施した。定常条件における感度解析では、FeCrAl燃料被覆管のふるまい挙動はジルカロイと似た挙動を示したが、ギャップ閉塞が遅れる違いが見られた。冷却材喪失事故(LOCA)条件では、被覆管のバースト時のクリープひずみは塑性ひずみではなく主にクリープひずみが要因であることが予測された。全体的に、FEMAXI-7による解析によって、定常及びLOCA条件におけるFeCrAl-UOシステムの優れたロバスト性や柔軟性が示された。

Analysis of mechanical load on cladding induced by fuel swelling during power ramp in high burn-up rod by fuel performance code FEMAXI-6

鈴木 元衛; 上塚 寛; 斎藤 裕明*

Nuclear Engineering and Design, 229(1), p.1 - 14, 2004/04

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2003.11.017

高燃焼BWR燃料棒における燃料スエリングによる被覆管への機械的負荷を燃料ふるまいコードFEMAXI-6によって解析した。このコードは有限要素法をもちいて軽水炉燃料の通常運転及び過渡(事故ではなく)条件における燃料ふるまいを解析するために開発された。高燃焼度燃料の出力ランプにおいては、即発的なペレットスエリングは定常速度のスエリングモデルから予測されるレベルを有意なほど超え、被覆管に周方向の大きな歪みを与えることがある。この現象をFPガスバブル成長を考慮に入れた新しいスエリングモデルによってシミュレートし、この新モデルが、照射後試験データと比較して、被覆管の直径拡大の満足すべき予測を与えることを見いだした。このバブル成長モデルはバブルサイズ,表面張力,内圧とバブルに働く外圧との間の平衡関係を仮定し、バブルサイズの決定計算とFPガス原子の拡散方程式との連立解を求める。さらに、コードに組み込まれた、ペレットの外面と被覆管内面に強固な機械的結合を想定するボンディングモデルにより、ランプ時における被覆管の二軸応力状態が予測された。

Development of fuel performance code FEMAXI-6 and analysis of mechanical loading on cladding during power ramp for high burn-up fuel rod

鈴木 元衛; 上塚 寛

IAEA-TECDOC-CD-1345 (CD-ROM), p.217 - 238, 2003/03

http://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/te_1345_web/attention.pdf

軽水炉燃料の通常時及び過渡時のふるまい解析のためのコードFEMAXI-6を開発した。このコードは有限要素法の力学解析を用い、高燃焼燃料の様々な現象のモデルを持つ。本研究では、高燃焼BWR燃料のスエリングによるPCMIを解析した。出力ランプ時には大きなスエリングが生じ、被覆管の大きな直径増大をもたらすが、この現象をFPガスバブルの成長による新しいモデルを適用して解析した。その結果、実測値にほぼ等しい被覆管の直径増加を再現することに成功した。このバブル成長モデルはバブルサイズと外圧の間のバランスを仮定した平衡論モデルであり、FPガスの拡散、放出の計算と連成している。また本コードは、ペレットと被覆管のボンディングモデルを持ち、このモデルによって高燃焼燃料はランプ時のペレットスタックスエリングによって被覆管の軸方向の応力が発生して、被覆管は周方向及び軸方向の2軸引張り応力状態になることを見出した。

NSRR tests under simulated power oscillation conditions of BWRs

中村 仁一; 中村 武彦; 笹島 栄夫; 鈴木 元衛; 上塚 寛

HPR-359, Vol.2, p.34_1 - 34_16, 2002/09

BWRにおいては、ボイド発生による出力低下とボイドの消滅による出力上昇が繰り返され、原子炉出力が増幅的に振動する出力振動が起こりうる。このBWRの出力振動時の燃料挙動を明らかにするため、2種類の照射済燃料の模擬出力振動試験をNSRRにおいて実施した。一つは、高燃焼度燃料の挙動を明らかにするための高燃焼度BWR燃料(燃焼度56GWd/t)の試験であり、他の一つは、高出力条件下での燃料挙動を明らかにするための20%高濃縮燃料(燃焼度25GWd/t)を用いた実験である。被覆管伸び,燃料スタック伸び,被覆管温度等の燃料挙動データが得られた。DNBは、これらの試験では生じなかった。出力振動中に被覆管伸び,ペレットスタック伸びによりPCMIが観察されたが、被覆管の残留伸びは非常に小さかった。出力振動時の燃料挙動を炉内データ,照射後試験データにより議論し、燃料挙動解析コードFEMAXI-6とFRAP-T6の計算結果を実験結果と比較した。

PLUTON: A Three-group model for the radial distribution of plutonium, burnup, and power profiles in highly irradiated LWR fuel rods

Lemehov, S.; 中村 仁一; 鈴木 元衛

Nuclear Technology, 133(2), p.153 - 168, 2001/02

https://doi.org/10.13182/NT01-A3166

新モデルPLUTONは、燃料ペレットの半径方向出力密度分布,プルトニウム蓄積、及び燃焼度プロファイルを、照射時間,運転条件及び原子炉システムを規定するパラメータ,燃料状態の関数として予測する。PLUTONモデルの予測値を濃縮度2.98.25%及び燃焼度2100083000MWd/tの範囲で実測値と比較した。その結果、実測値のみならず、Lassmanらによる周知のコードTUBRNPによる計算値とも非常に良い一致を示した。この新モデルは、MOXを含むすべてのタイプの軽水炉燃料に適用可能である。

燃料安全研究1999

上塚 寛

JAERI-Review 2000-010, 113 Pages, 2000/07

JAERI-Review-2000-010.pdf:7.16MB

1999年4月に、安全性試験研究センター内組織の再編が行われ、反応度安全研究室、燃料挙動安全研究室の2研究室に炉心損傷安全研究室の一部を加えて、「燃料安全研究室」が新設された。これにより原研におけるすべての燃料安全研究を一研究室で担当することとなった。燃料安全研究室では、原研が有する原子力施設、すなわちNSRR(Nucear Safety Research Reactor)、JMTR(Japan Material Testing Reactor)及びJRR-3(Japan Research Reactor 3)と照射後試験施設などを利用した多くの実験・解析研究を行っており、研究対象分野に対応した研究体制として下記の5グループを設けている。(1)反応度事故時挙動研究グループ(RIAグループ)、(2)冷却材喪失事故時挙動研究グループ(LOCAグループ)、(3)通常運転時挙動研究グループ(JMTR/BOCAグループ)、(4)燃料挙動解析研究グループ(FEMAXIグループ)、(5)照射済燃料からのFP放出・移行挙動研究グループ(VEGAグループ)。本報告書は、燃料安全研究室が1999年に実施した研究の概要と主な成果をまとめたものである。

ハンデル負荷追従試験解析のためのFEMAXI-ATRコードの改良・整備

斎藤 裕明*; 入谷 佳一*

JNC TJ8440 99-003, 156 Pages, 1999/03

JNC-TJ8440-99-003.pdf:2.72MB

負荷追従運転時の燃料棒照射挙動を評価するため、設計コード(許認可コード)の改良・整備を実施する。本設計コード「FEMAXI-ATR」燃料サイクル開発機構(旧動力炉・核燃料開発事業団)が、日本原子力研究所によって開発された水炉用UO2燃料挙動解析コード「FEMAXI」をベースに、MOX燃料も取り扱えるよう開発したものであり、コードの基本構造は公開コード「FEMAXI」とほぼ同様である。今回の改良・整備にあたっては、負荷追従試験データを用い、負荷追従運転時の出力変化による燃料棒内圧及び燃料棒伸びの挙動を模擬できるように解析モデルの改良を実施した。また、「FEMAXI-ATR」コードを用い、追従運転時における燃料棒照射挙動の詳細について評価・検討を実施した。

PWR版FEMAXI-IIIコードによるハルデン軽水炉燃料出力急昇試験についての検討

中村 仁一; 池田 弘章*; 古田 照夫; 森 一麻*

JAERI-M 91-027, 36 Pages, 1991/03

JAERI-M-91-027.pdf:1.03MB

PWR版FEMAXI-IIIコードを用いて、ハルデン炉で行った軽水炉燃料出力急昇試験についての検討を行った。照射実験データによるコードの検証を行い、クリープダウン、燃料棒直径変化、リッジ高さについては、計算値は実測値と良い一致を示し、PWR版FEMAXI-IIIコードが、PWR型燃料棒の挙動解析に十分な性能を持つことが示された。また、このコードを用いてペレット形状の効果及び燃焼度の効果を明らかにした。一方、試験炉による出力急昇試験条件の違いについても検討を行い、炉型及び燃料仕様による出力急昇時の燃料挙動への影響を調べた。その結果、商用PWR条件及びハルデン炉条件でそれぞれ出力急昇試験を行った場合、燃料中心温度及び被覆管最大応力は、ハルデン炉軽水炉ループ内で照射した場合より、やや大きくなることが明らかになった。

Analysis of fuel behavior in power-ramp tests by FEMAXI-IV code

中島 鐵雄; Ki-S.Sim*

Res Mech., 25, p.101 - 128, 1988/00

軽水炉燃料は、低出力で照射した後に急激な出力上昇を受けると被覆管が破損することがある。この出力急昇時に起こる破損は、ペレットと被覆管の力学的相互作用と、よう素等の腐食性FPによる化学的作用が重畳して引き起こされる応力腐食割れであることがわかっている。被覆管が破損を起こす限界の破損しきい出力は、スタズビック計画等の出力急昇試験によって実験的に得られている。この破損しきい値を燃料挙動解析コードFEMAXI-IVを用いて、被覆管の応力、ギャップ内FPガス濃度等で評価することを試みた。