Restrain of the swelling of an oxide fuel by controlling the size of He gas bubble

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03524
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 芹澤 弘幸 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (90355008)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 熊田 高之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, リーダー (00343939) ; 河裾 厚男 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員(定常) (20354946) ; 矢板 毅 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主席 (40370481) ; 小林 徹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究職 (40552302) ; 有馬 立身 九州大学, 工学研究院, 助教 (60264090)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 原子力材料・核燃料 / スエリング

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、これまで評価することが困難とされてきた燃料中での希ガスの挙動を解明することを目的とし、プルサーマル燃料中でのHe挙動に着目した。再処理で得られたPuを使用して製造されたプルサーマル燃料は、長期間貯蔵されるとα崩壊に由来したHeが蓄積し、この蓄積したHeは照射開始時の昇温にともない、急激に凝集してガスバブルを形成してスエリングを誘発する。燃料のスエリングは、PCMIの原因となる重要な問題であることから、本研究期間では、実験的手法と計算科学的手法を組み合わせてHeガスバブルの成長過程を明らかにし、臨界核のサイズを求め、Heガスバブルが成長せずに放出される条件を見出すことによりスエリングを回避する方法の提案を目指した。
現在までに実施できたUO2イメージクリスタルがファセット{100}及び{111}面を持つ場合のMD計算により、He原子の有無及びイメージクリスタルと同じ表面構造を持つナノクリスタルの物理化学的性質からUO2イメージクリスタルの構造安定性を考察し、初期にイメージクリスタルがHe原子を内包する場合についての構造安定性を示すことはできたが、それ以外の情報は得にくいことが判明した。
今後の展開として、(1) UO2結晶中にあらかじめHe原子を固溶させ、イメージクリスタル共存状態でのMD計算を行うこと、(2) {100} 及び{111}面以外の高指数の表面構造とHe原子の相互作用を系統的に評価することで、イメージクリスタルの生成過程・構造安定性に関する新たな知見が得られるものと考えている。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。