原子炉の出力変動時の燃料挙動に関する研究 (06-01-01-02)

＜本文＞
　原子力発電の経済性を増すためには必要な電力を必要な時期に供給すること、すなわち負荷追従運転が望まれ、出力変動が必要になる。しかし、燃料棒の出力を上昇させると、燃料ペレットの熱膨張による被覆管の引張り応力が生じ、また腐食性ＦＰのヨウ素が燃料ペレットから放出される。このため、被覆管は腐食性雰囲気中で引張り応力を受け、応力腐食割れが起こりやすくなる。このような条件下の燃料棒破損をＰＣＩ（ペレット・被覆管相互作用）破損と呼び、燃料棒の健全性確保のためには重要な問題である。
　応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress Corrosion Cracking）は、応力または腐食環境単独では被覆管が破損しない条件でも両者が共存すると破損に至る現象であり、応力腐食割れ防止のためには、応力または腐食環境の何れかが限界値を越えないようにすればよい。この限界値は材料によって異なるので、応力腐食割れに強い材料を選ぶのも有効な対策である。これらの理由により、燃料のＰＣＩ破損防止のためには、以下の３方法の内、少なくとも１つの対策を施せばよい。
（a）応力が少なくなる運転モードの選択、
（b）燃料ペレットと被覆管との間隙の腐食性ヨウ素濃度が少なくなるようにする、
（c）応力腐食割れ感受性の低い材料使用。
　現在行われているＰＣＩ破損対策は上記の何れもが対象となり、燃料棒の改良と運転モードの改善の２方法が施されている。
　燃料棒の改良では、ＵＯ２ぺレットにディッシュやチャンファー（図１参照）を施し、発生応力を軽減するようにしている。また、燃料棒を細く（PWR 燃料集合体では17×17、BWR燃料集合体では９×９）して線出力を下げたり、ヘリウム充填ガス圧を高くすることによりギャップ熱伝達を改良し、ペレット中心温度を下げることも応力低減効果がある。
　被覆管では、SCC感受性の低い純ジルコニウムを内張りし、ＳＣＣを起こしにくくしている。図２は、純ジルコニウム内張りの有効性を示した実験例である。但し、内張りの被覆管が破損すると、耐食性の悪い純ジルコニウムが侵入した水で急速に腐食され、破損が拡大するという欠点がある。このほか、ＳＣＣを起こしにくい結晶集合組織にする方法が研究され、ＢＷＲでは純ジルコニウム内張り、ＰＷＲでは集合組織調整の被覆管を使用している。
　運転モードについては、出力を緩やかに上昇させることにより、ＵＯ２、ジルカロイ双方にクリープ変形を起こさせ、発生応力がＳＣＣの限界応力を越えないようにする対策がある。一旦この運転処理を行うと、所定の出力に対応する被覆管変形が起こっているので、その後はその範囲内での出力変動速度を大きくとることができる。この運転処理をならし運転（PCIOMR：Pre−Conditioning Interim Operating Management Recommendation）と呼び、その具体的方法を図３に示す。しかし、この運転モードは経済性を損なうので、耐ＳＣＣ性の強い燃料が開発できれば、採用したくない方法である。現在は、上述の燃料の改良によって、ならし運転の必要はなくなり、採用されなくなっている。
　負荷追従運転では出力変動の繰り返しが行われるが、繰り返しの影響を知っておく必要がある。図４は、予め20GWd/tまで定常（定出力）運転した燃料を日負荷（36〜18kW/m，110回）と自動周波数制御（36〜31kW/m，4万回）の運転し、定常運転を比較したものであり、影響を調べやすいペレットからのFPガス放出で示されている。サイクル初期は定出力運転で蓄積したＦＰガスが放出されて定常運転との差は大きくなるが、サイクル増加とともに差がなくなってくる。また新燃料（ベース照射なし）について通常運転と負荷追従運転を比較した場合を図５に示すが、両者に差は見られない。
　経済性向上のため、燃料の高燃焼度化によって使用済燃料の発生量を少なくする必要があるが、燃焼の進行とともに出力変動が燃料に与える負担が大きくなる。図６は出力急昇と燃料破損しきい値の関係に及ぼす燃焼度の影響を示したものであるが、燃焼度の増加とともに破損しきい値の低下が見られ、高燃焼燃料ほどＰＣＩ対策が重要になる。現在計画中の程度の負荷追従運転や燃料の燃焼度での燃料健全性は確認されているが、経済性改善のため、できればペレット、被覆管を含む燃料設計の一層の改良でＳＣＣ問題を解決することが望ましい。そのため、ペレットでは結晶粒を大きくしてＦＰ放出を減少させたり、燃料棒の細徑化が行われている。ＢＷＲでは、高燃焼化のため、現行より細径の９×９の燃料集合体の実用炉での先行照射が1996年から始まったが、今後の取換燃料は全面的に９×９の集合体が採用される方向にある。ＰＷＲでも同様な傾向で17×17が増える方向であるが、15×15と17×17燃料集合体の寸法が異なるため、旧い炉では、細徑の燃料を使用できない。
　出力急昇問題に対する各国の取組みは一時期ほどの勢いはないが、各所で地道に行われている。日本ではＪＭＴＲのＢＯＣＡ（沸騰水キャプセル）照射装置を用いて、ＢＷＲ燃料の出力急昇試験を行ったり、外国の原子炉を利用して、改良燃料の照射試験を行っている。

＜図／表＞

＜参考文献＞
（1）三島良績ほか：軽水炉燃料のふるまい、原子力安全研究協会（1990）
（2）大久保忠恒ほか（編）：軽水炉燃料のふるまい、原子力安全研究協会（1998）