[論文レビュー] Radial Distributions of Power and Isotopic Concentration in Candidate ATF U3Si2 and UO2/U3Si2 Fuel with FeCrAl Cladding

Shengli Chen, Cenxi Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2018

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 21被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、U3Si2およびFeCrAl被覆を有するUO2/U3Si2を含む事故耐性燃料（ATF）システムにおける径方向パワー、燃焼度および核種濃度分布をモデル化する解析的関数 f(x,s) を提案する。この関数は、燃焼度時間 s に関して2次多項式であり、x に依存する指数関数的係数を有する。最小限のずれで、複数の燃料-被覆組み合わせにおいて、径方向特性を正確に予測可能であり、中性子・熱流体連成解析の効率的な研究を可能にする。

ABSTRACT

Monte Carlo simulations show similarity on radial distributions of power and isotopic concentration at any effective depletion time among five kinds of fuel-cladding combinations with the same cycle length, including the normal UO2-zircaloy combination, the candidate Accident Tolerant Fuel (ATF) UO2/U3Si2-FeCrAl combination, and three kinds of candidate ATF U3Si2-FeCrAl combinations. An analytical formula f(x,s) including the depletion time (s) and the relative radial (x) is proposed to describe the radial properties for all five kinds of fuel-cladding combinations. f(x,s) has the form of the second order polynomial term of s with the exponential type of coefficients depending on x. It is shown that the suggested function f(x,s) gives a nice description on the simulation data with rather small deviations and can immediately provide radial distribution of power, burnup, and isotopic concentration of 235,238U and 239,241Pu at any effective depletion time and relative radius. It is useful to discuss the fuel temperature through the present analytical formula. The present work provides an analytical formula to describe the radial properties of the ATF which is expected to be helpful for further neutronic and multi-physics coupling study.

研究の動機と目的

• 事故耐性燃料（ATF）の異なる燃料組成および被覆材料を対象とした、径方向パワーおよび核種濃度分布の一般化された解析的モデルの開発。
• 繰り返しモンテカルロシミュレーションを実行することなく、任意の有効な燃焼度時間における径方向特性の迅速な予測を可能にする。
• 計算コストが低いツールを提供することで、多物理場連成解析の支援を図る。
• 同一サイクル長下で、UO2-ジルコニウムおよびU3Si2/FeCrAlのバリエーションを含む、複数の燃料-被覆組み合わせにおいて、モデルの妥当性を検証する。
• 径方向パワー分布と燃料温度予測を結びつけることで、熱流体解析を容易にする。

提案手法

• 同一サイクル長で5つの燃料-被覆組み合わせについて、モンテカルロシミュレーションを用いて、パワー、燃焼度および核種濃度（235,238Uおよび239,241Pu）の径方向分布を生成する。
• 関数 f(x,s) = a(x)s² + b(x)s + c(x) を開発し、係数 a(x)、b(x)、c(x) は、径方向位置 x に依存する指数関数的関数である。
• 関数 f(x,s) をシミュレーションデータにフィットさせ、燃焼度時間 s に関する2次依存性および径方向変動 x を捉える。
• UO2/U3Si2-FeCrAlおよび純粋な U3Si2-FeCrAl を含む、複数のATF構成に対してモデルを検証し、一貫性のある精度を示す。
• 任意の燃焼度時間および相対的半径における径方向分布の予測にこの関数を用い、迅速なパrametricスタディを可能にする。
• 径方向パワー分布と熱的挙動を結びつけることで、f(x,s) が燃料温度推定にどのように有用であるかを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の解析的関数が、多様なATF燃料-被覆組み合わせにおける径方向パワーおよび核種濃度分布を正確に記述できるか？
• RQ2 U3Si2ベースのATF燃料において、有効な燃焼度時間とともに、核種濃度および燃焼度の径方向依存性はどのように変化するか？
• RQ3 提案された関数 f(x,s) が、最小限のずれでモンテカルロシミュレーション結果をどれほど正確に再現できるか？
• RQ4 解析的モデルが、ATF設計における熱流体および中性子工学のシミュレーションと効率的に連成可能か？
• RQ5 ATFシステムにおける主要核種およびパワーの径方向および時間依存的挙動の関数的形態は何か？

主な発見

• 解析的関数 f(x,s) は、モンテカルロシミュレーションデータからの最小限のずれで、5つの燃料-被覆組み合わせにおけるパワー、燃焼度および核種濃度（235,238Uおよび239,241Pu）の径方向分布を正確に記述できる。
• 関数 f(x,s) は、燃焼度時間 s に関して2次多項式であり、係数が径方向位置 x に依存する指数関数的関数である。時間的および径方向的依存性を正確に捉えている。
• UO2-ジルコニウム、UO2/U3Si2-FeCrAlおよび3種類のU3Si2-FeCrAl構成において、一貫した予測が得られ、同じサイクル長下でATFシステムに普遍的に適用可能であることを示している。
• 関数により、任意の有効な燃焼度時間および相対的半径における径方向特性の即時推定が可能となり、繰り返しのシミュレーションと比較して計算コストを著しく削減できる。
• 径方向パワー分布と熱的挙動を結びつけることで、燃料温度の推定が可能となり、多物理場スタディにおける実用性が向上する。
• 提案された解析的フレームワークは、次世代ATF燃料設計における中性子工学および多物理場連成スタディの加速が期待される。