JP7246300B2

JP7246300B2 - 燃料健全性評価方法、解析装置及び燃料健全性評価プログラム

Info

Publication number: JP7246300B2
Application number: JP2019230900A
Authority: JP
Inventors: 侑麻東; 忠勝淀; 望村上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2023-03-27
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: JP2021099253A

Description

本開示は、燃料健全性評価方法、解析装置及び燃料健全性評価プログラムに関するものである。

従来、原子炉内における燃料健全性評価方法として、燃料棒の熱機械的性能を判断するために、燃料棒を構成する燃料ペレット及び被覆管の構造や状態、物性や挙動をモデル化して解析により健全性を評価する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法において、燃料ペレットモデルは、開放多孔性及び閉鎖多孔性の構成要素を含んでおり、燃料棒の機械的挙動を評価している。

特表２０１７－５０５５０１号公報

ここで、燃料棒の機械的挙動の評価の一つに、燃料棒の物理的破損の評価があり、この評価に用いられる解析モデルとしては、一般的に、被覆管と燃料ペレットとの間にギャップを形成した構造を模擬した解析モデルが用いられる。燃料棒は新品の燃料として原子炉に装荷されてから使用済燃料として取り出されるまでの期間（サイクル）において、燃焼度に応じて初期、中期、末期に分類される。このような解析モデルは、原子炉の定常運転時において、燃料棒の燃焼度が進んでいないサイクル初期の状態にあり、ギャップが存在する状態であれば、精度よく評価を行うことができる。一方で、燃料棒の燃焼度が進んだサイクル中期またはサイクル末期の状態では、燃料ペレットの膨張や被覆管のクリープ変形が進むことでギャップが閉じた状態となり、このような状態の下で、反応度が添加されることにより原子炉が定常運転状態から逸脱し、原子炉出力が過渡的に変化する場合(過渡変化時)、上記の解析モデルをそのまま適用しただけでは、燃料棒の機械的挙動を精度よく模擬することができない場合があり、燃料棒健全性の評価手法に改善の余地があった。

そこで、本開示は、過渡変化時において燃焼が進んだ燃料棒の健全性を精度よく評価することができる燃料健全性評価方法、解析装置及び燃料健全性評価プログラムを提供することを課題とする。

本開示の燃料健全性評価方法は、過渡変化時における燃料棒の物理的破損を解析する解析装置により実行される燃料健全性評価方法であって、前記燃料棒は、解析モデルとして、燃料ペレットと、前記燃料ペレットを被覆する被覆管と、を有する解析モデルが用いられ、前記燃料ペレットの所定の燃焼度において、前記燃料ペレットの温度を算出する第１のステップと、前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレットを含む前記燃料棒の寸法を算出する第２のステップと、前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒の寸法に基づいて、前記被覆管の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行する。ここで、前記第２のステップでは、前記燃料ペレットが、サイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管と前記燃料ペレットとの間のギャップがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する。

本開示の解析装置は、過渡変化時における燃料棒の物理的破損を解析する演算部を備える解析装置であって、前記燃料棒は、解析モデルとして、燃料ペレットと、前記燃料ペレットを被覆する被覆管と、を有する解析モデルが用いられ、前記燃料ペレットの所定の燃焼度において、前記演算部は、前記燃料ペレットの温度を算出する第１のステップと、前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレットを含む前記燃料棒の寸法を算出する第２のステップと、前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒の寸法に基づいて、前記被覆管の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行する。ここで、前記第２のステップでは、前記燃料ペレットが、サイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管と前記燃料ペレットとの間のギャップがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する。

本開示の燃料健全性評価プログラムは、過渡変化時における燃料棒の物理的破損を解析する解析装置によって実行される燃料健全性評価プログラムであって、前記燃料棒は、解析モデルとして、燃料ペレットと、前記燃料ペレットを被覆する被覆管と、を有する解析モデルが用いられ、前記燃料ペレットの所定の燃焼度において、前記解析装置に、前記燃料ペレットの温度を算出する第１のステップと、前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレットを含む前記燃料棒の寸法を算出する第２のステップと、前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒の寸法に基づいて、前記被覆管の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行させる。ここで、前記第２のステップでは、前記燃料ペレットが、サイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管と前記燃料ペレットとの間のギャップがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する。

本開示によれば、過渡変化時において燃焼が進んだ燃料棒の健全性を精度よく評価することができる。

図１は、本実施形態に係る解析装置を模式的に表したブロック図である。図２は、本実施形態に係る燃料健全性評価方法に用いられる燃料棒の解析モデルを模式的に表した構成図である。図３は、本実施形態に係る燃料健全性評価方法のガス放出に関する説明図である。図４は、本実施形態に係る燃料健全性評価方法に関するフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
本実施形態に係る燃料健全性評価方法は、炉心に装荷される燃料集合体の燃料棒５の健全性を評価する方法となっている。具体的に、燃料健全性評価方法は、原子炉の過渡変化時において、燃料棒５の物理的破損（機械的破損）を評価している。特に、燃料健全性評価方法では、燃料棒５がサイクル中期（ＭＯＣ：Middle of Cycle）またはサイクル末期（ＥＯＣ：End of Cycle）となる、燃料の燃焼が進んだ状態のものを評価している。

（燃料棒）
先ず、図２を参照して、評価対象となる燃料棒５について説明する。図２に示すように、燃料棒５は、軸方向に並べて設けられる複数の燃料ペレット６と、複数の燃料ペレット６を被覆する被覆管７と、を備えている。燃料ペレット６は、軸方向を中心とする円柱形状に形成されており、核燃料を焼結して成形されたものとなっている。被覆管７は、軸方向を中心とする円筒形状に形成されており、金属材料を用いて形成されている。そして、燃料棒５は、被覆管７の内部に、複数の燃料ペレット６を軸方向に並べて配置することで形成されている。

（解析装置）
次に、図１を参照して、燃料棒５の健全性を評価するために用いられる解析装置１について説明する。解析装置１は、過渡変化時における燃料棒５の物理的破損を解析するものであり、過渡変化時における燃料棒５のふるまい（機械的挙動）を模擬する。なお、解析としては、例えば、有限要素法による解析（ＦＥＭ解析）であり、解析装置１では、燃料棒を模擬した解析モデルが用いられる。燃料棒５の解析モデルとしては、図２に示す燃料棒５の形状を模擬した解析モデルとなっている。また、過渡変化とは、炉心の定常運転における状態から、別の状態に変化することである。

解析装置１は、演算部１１と、記憶部１２と、表示部１３と、入力部１４とを有している。

演算部１１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の集積回路を含んでいる。演算部１１は、燃料棒５の解析モデルを用いて、入力情報に基づく解析処理等を実行している。記憶部１２は、半導体記憶デバイス及び磁気記憶デバイス等の任意の記憶デバイスである。この記憶部１２には、各種処理を実行するための各種プログラム、及び処理に用いられる各種データが記憶されている。各種プログラムとしては、例えば、燃料棒５の健全性の評価に関する解析処理を実行するための燃料健全性評価プログラムＰ等である。また、各種データとしては、例えば、解析処理に入力される入力情報（入力パラメータ）Ｄ１、解析結果として出力される出力情報Ｄ２等である。表示部１３は、例えば、液晶ディスプレイ等の表示デバイスである。入力部１４は、例えば、キーボード及びマウス等の入力デバイスである。なお、表示部１３及び入力部１４は、タッチパネル等の入力操作が可能な入力表示デバイスとして一体化されたものであってもよい。

（燃料健全性評価方法）
次に、図２から図４を参照して、解析装置１により燃料健全性評価プログラムＰが実行されることで行われる燃料健全性評価方法について説明する。燃料健全性評価方法では、燃料棒５の燃焼が進んだ状態において、過渡変化時における燃料棒の物理的破損を精度よく評価すべく、解析モデルとして、ギャップゼロモデルを用いている。また、燃料健全性評価方法では、ガスバブルスエリングモデル、ガス放出モデルを用いている。燃料健全性評価方法の説明に先立ち、ギャップゼロモデル、ガスバブルスエリングモデル、ガス放出モデルについて説明する。

ギャップゼロモデルは、図２に示すように、燃料ペレット６と被覆管７との径方向における隙間であるギャップＧがゼロとなる解析モデルである。すなわち、ギャップゼロモデルは、燃料ペレット６と被覆管７とが径方向において接触する解析モデルとなっている。

ガスバブルスエリングモデルは、図３に示すように、過渡変化時において、燃料ペレット６の内部において生成されるＦＰガスＦが膨張する計算モデルである。ＦＰガスＦは、核分裂で生成される核分裂生成物（Fission Product：FP）のガス成分である。ガスバブルスエリングモデルは、燃料ペレット６を詳細に分割した要素６ａごとに適用される。ガスバブルスエリングモデルを用いた計算処理では、ＦＰガスＦの膨張によって拡大する燃料ペレット６の寸法を計算している。

ガス放出モデルは、図３に示すように、過渡変化時において、燃料ペレット６の内部において生成されるＦＰガスＦが、燃料ペレット６の外部に放出する計算モデルである。ガス放出モデルは、ガスバブルスエリングモデルと同様に、燃料ペレット６を詳細に分割した要素６ａごとに適用される。ガス放出モデルを用いた計算処理では、燃料ペレット６から被覆管７内に放出されたガス量を計算している。

また、燃料健全性評価方法では、解析処理に与えられる入力情報Ｄ１として、燃料ペレット６の燃焼度があり、燃焼度が、サイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、ギャップゼロモデルが適用される。

図４に示すように、燃料健全性評価方法では、先ず、解析装置１の演算部１１が、燃料棒５における各種温度を計算する（ステップＳ１：第１のステップ）。具体的に、ステップＳ１では、演算部１１が、燃料棒５の外側を流通する冷却材の温度、被覆管７の外面温度、被覆管７の内面温度、ギャップＧの温度、燃料ペレット６の内部温度を計算している。

続いて、演算部１１は、計算した燃料棒５における各種温度に基づいて、燃料ペレット６内で生成されるＦＰガスＦの放出の有無を判定する（ステップＳ２：第４のステップ）。ステップＳ２では、燃料ペレット６の要素６ａごとに、ＦＰガスＦの放出の放出の有無を判定している。演算部１１は、ＦＰガスＦの放出無しと判定する（ステップＳ２：Ｙｅｓ）と、燃料棒５の各種寸法を計算する（ステップＳ３：第２のステップ）。一方で、演算部１１は、ＦＰガスＦの放出有りと判定する（ステップＳ２：Ｎｏ）と、ガス放出モデルを用いて、燃料ペレット６から放出されるＦＰガスＦのガス量を計算し、計算したガス量に基づくギャップＧの圧力を算出する（ステップＳ４：第５のステップ）。ステップＳ４で算出したギャップＧの圧力は、ステップＳ３の解析処理において用いられる。

ステップＳ３では、演算部１１が、ステップＳ１で算出された各種温度を含む入力情報Ｄ１に基づいて、解析モデルを用いて解析することで、燃料ペレット６及び被覆管７を含む燃料棒５の寸法を算出する。ここで、ステップＳ３では、ステップＳ２において、ＦＰガスＦの放出無しと判定された場合、燃料ペレット６がＦＰガスＦによって膨張するガスバブルスエリングモデルを用いて、燃料ペレット６の寸法を算出している。また、ステップＳ３では、燃料ペレット６の温度に基づく熱膨張を考慮して、燃料ペレット６の寸法を算出している。さらに、ステップＳ３では、燃料ペレット６の寸法に基づき、燃料ペレット６と被覆管７とが径方向において接触する場合、ギャップゼロモデルを用いて、燃料ペレット６及び被覆管７の寸法を算出している。そして、ステップＳ３では、ギャップゼロモデルを用いた解析により、被覆管７に付与される応力及び歪みを計算する。ステップＳ３では、算出した被覆管７への応力及び歪みと、被覆管７の外面温度及び被覆管７の内面温度とに基づいて、被覆管７の管径の変化を算出する。

そして、演算部１１は、ステップＳ３の実行後、算出された燃料棒５の寸法、すなわち燃料ペレット６と被覆管７との寸法に基づいて、被覆管７の物理的破損を評価する（ステップＳ５：第３のステップ）。ステップＳ５により評価した評価結果は、記憶部１２に、出力情報Ｄ２として記憶される。

以上のように、本実施形態に記載の燃料健全性評価方法、解析装置１及び燃料健全性評価プログラムＰは、例えば、以下のように把握される。

第１の態様に係る燃料健全性評価方法は、過渡変化時における燃料棒５の物理的破損を解析する解析装置１により実行される燃料健全性評価方法であって、前記燃料棒５は、解析モデルとして、燃料ペレット６と、前記燃料ペレット６を被覆する被覆管７と、を有する解析モデルが用いられ、前記燃料ペレット６の所定の燃焼度において、前記燃料ペレット６の温度を算出する第１のステップ（ステップＳ１）と、前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータ（入力情報Ｄ１）に基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレット６を含む前記燃料棒５の寸法を算出する第２のステップ（ステップＳ３）と、前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒５の寸法に基づいて、前記被覆管７の物理的破損を評価する第３のステップ（ステップＳ５）と、を実行する。前記第２のステップでは、前記燃料ペレットの燃焼度が、サイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管７と前記燃料ペレット６との間のギャップＧがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレット６の寸法を算出する。

この構成によれば、燃料ペレット６がサイクル中期またはサイクル末期の燃焼度となる場合の過渡変化時における燃料棒５は、燃料ペレット６と被覆管７とが接触することがあり、このときの燃料棒５の機械的挙動を精度よく模擬して解析することができる。このため、過渡変化時において燃焼が進んだ燃料棒５の健全性を精度よく評価することができる。

第２の態様として、前記第１のステップの実行後、算出した温度に基づいて、前記燃料ペレット６内で生成されるガス（ＦＰガスＦ）の放出の有無を判定する第４のステップ（ステップＳ２）を、さらに実行する。

この構成によれば、過渡変化時において燃焼が進んだ燃料棒５の燃料ペレット６からのガス（ＦＰガスＦ）の放出の有無を判定することができ、後のステップにおいて、ガスの放出を考慮した解析を行うことが可能となる。

第３の態様として、前記第４のステップにおいて、前記ガスの放出無しと判定した場合、前記第２のステップでは、前記燃料ペレット６が前記ガスによって膨張するガスバブルスエリングモデルを用いて、前記燃料ペレット６の寸法を算出する。

この構成によれば、ガス（ＦＰガスＦ）による燃料ペレット６の膨張を模擬した解析を行うことができるため、過渡変化時において燃焼が進んだ燃料棒５の健全性をより精度よく評価することができる。

第４の態様として、前記第４のステップにおいて、前記ガスの放出有りと判定した場合、前記燃料ペレット６から放出されるガス量を計算するためのガス放出モデルを用いて、前記ギャップＧにおける圧力を算出する第５のステップ（ステップＳ４）、をさらに実行し、前記第２のステップでは、算出した前記被覆管７内のガス量を含む前記入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料棒５の寸法を算出する。

この構成によれば、ガス（ＦＰガスＦ）の放出によるギャップＧの圧力を模擬した解析を行うことができるため、過渡変化時において燃焼が進んだ燃料棒５の健全性をより精度よく評価することができる。

第５の態様に係る解析装置１は、過渡変化時における燃料棒５の物理的破損を解析する演算部１１を備える解析装置１であって、前記燃料棒は、解析モデルとして、燃料ペレット６と、前記燃料ペレット６を被覆する被覆管７と、を有する解析モデルが用いられ、前記燃料ペレット６の所定の燃焼度において、前記演算部１１は、前記燃料ペレット６の温度を算出する第１のステップと、前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレット６を含む前記燃料棒５の寸法を算出する第２のステップと、前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒５の寸法に基づいて、前記被覆管７の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行する。前記第２のステップでは、前記燃料ペレットの燃焼度が、サイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管７と前記燃料ペレット６との間のギャップＧがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレット６の寸法を算出する。

第６の態様に係る燃料健全性評価プログラムは、過渡変化時における燃料棒５の物理的破損を解析する解析装置１によって実行される燃料健全性評価プログラムＰであって、前記燃料棒５は、解析モデルとして、燃料ペレット６と、前記燃料ペレット６を被覆する被覆管７と、を有する解析モデルが用いられ、前記燃料ペレット６の所定の燃焼度において、前記解析装置１に、前記燃料ペレット６の温度を算出する第１のステップと、前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレット６を含む前記燃料棒５の寸法を算出する第２のステップと、前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒５の寸法に基づいて、前記被覆管７の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行させる。前記第２のステップでは、前記燃料ペレットの燃焼度が、サイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管７と前記燃料ペレット６との間のギャップＧがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する。

１解析装置
５燃料棒
６燃料ペレット
７被覆管
１１演算部
１２記憶部
１３表示部
１４入力部
Ｐ燃料健全性評価プログラム
Ｄ１入力情報
Ｄ２出力情報
Ｇギャップ
ＦＦＰガス

Claims

過渡変化時における燃料棒の物理的破損を解析する解析装置により実行される燃料健全性評価方法であって、
前記燃料棒は、有限要素法に用いられる解析モデルとして、燃料ペレットと、前記燃料ペレットを被覆する被覆管と、を有する前記燃料棒を模擬した解析モデルが用いられ、
前記燃料ペレットの所定の燃焼度において、
前記燃料ペレットの温度を算出する第１のステップと、
前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレットを含む前記燃料棒の寸法を算出する第２のステップと、
前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒の寸法に基づいて、前記被覆管の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行する燃料健全性評価方法。
前記第２のステップでは、前記燃料ペレットがサイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管と前記燃料ペレットとの間のギャップがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する請求項１に記載の燃料健全性評価方法。
前記第１のステップの実行後、算出した温度に基づいて、前記燃料ペレット内で生成されるガスの放出の有無を判定する第４のステップを、さらに実行する請求項１または２に記載の燃料健全性評価方法。
前記第４のステップにおいて、前記ガスの放出無しと判定した場合、前記第２のステップでは、前記燃料ペレットが前記ガスによって膨張するガスバブルスエリングモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する請求項３に記載の燃料健全性評価方法。
前記第４のステップにおいて、前記ガスの放出有りと判定した場合、前記燃料ペレットから放出されるガス量を計算するためのガス放出モデルを用いて、前記被覆管と前記燃料ペレットとの間のギャップにおける圧力を算出する第５のステップ、をさらに実行し、
前記第２のステップでは、算出した前記被覆管内のガス量を含む前記入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料棒の寸法を算出する請求項３に記載の燃料健全性評価方法。
過渡変化時における燃料棒の物理的破損を解析する演算部を備える解析装置であって、
前記燃料棒は、有限要素法に用いられる解析モデルとして、燃料ペレットと、前記燃料ペレットを被覆する被覆管と、を有する前記燃料棒を模擬した解析モデルが用いられ、
前記燃料ペレットの所定の燃焼度において、
前記演算部は、
前記燃料ペレットの温度を算出する第１のステップと、
前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレットを含む前記燃料棒の寸法を算出する第２のステップと、
前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒の寸法に基づいて、前記被覆管の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行する解析装置。
前記第２のステップでは、前記燃料ペレットがサイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管と前記燃料ペレットとの間のギャップがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する請求項６に記載の解析装置。
過渡変化時における燃料棒の物理的破損を解析する解析装置によって実行される燃料健全性評価プログラムであって、
前記燃料棒は、有限要素法に用いられる解析モデルとして、燃料ペレットと、前記燃料ペレットを被覆する被覆管と、を有する前記燃料棒を模擬した解析モデルが用いられ、
前記燃料ペレットの所定の燃焼度において、
前記解析装置に、
前記燃料ペレットの温度を算出する第１のステップと、
前記第１のステップにおいて算出された温度を含む入力パラメータに基づいて、前記解析モデルを用いて解析することで、前記燃料ペレットを含む前記燃料棒の寸法を算出する第２のステップと、
前記第２のステップにおいて算出された前記燃料棒の寸法に基づいて、前記被覆管の物理的破損を評価する第３のステップと、を実行させる燃料健全性評価プログラム。
前記第２のステップでは、前記燃料ペレットがサイクル中期またはサイクル末期の燃焼度の場合、前記解析モデルとして、前記被覆管と前記燃料ペレットとの間のギャップがゼロとなるギャップゼロモデルを用いて、前記燃料ペレットの寸法を算出する請求項８に記載の燃料健全性評価プログラム。