報告書番号

T98078

タイトル（和文）

原子燃料細粒化の理論モデル構築とリム組織形成過程の検討

タイトル（英文）

Towards mathematical model of grain sub-division and rim structure Formation

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

軽水炉燃料の高燃焼時には、燃料セラミックスの周端部で結晶粒の細粒化が見られ、通称リム組織と呼ばれている。この組織は４００℃以下の温度でも発生するため、核分裂トラックとカスケードによる原子混合効果が鍵となるメカニズムと思われる。ＳＥＭ観察の結果、自由表面の近傍での優先的な形成が観察されることから、強い吸収項（シンク）の効果が重要な役割を担っていると考えられる。同時に格子定数も増加することから、空孔型点欠陥の密度が増加し、高密度の転位と相互作用して新しい構造を形成すると考えられる。これらの観察結果をもとに、照射で誘起される欠陥の輸送を考慮した反応拡散方程式を作成した。方程式を数値的に検討した結果、空孔と転位との強い相互作用が開始されると、格子間原子の空間的な拡散流れによってさらに空孔の流れが変化し、不安定性が空間的な分布として発生することが明らかになった。これはTuring型の不安定であり、この現象の発生は、リム組織の形成が開放系の自己組織化現象の１種であることを示唆している。

概要 （英文）

The high burnup LWR UO2 fuels show a notable micro-structural change around pellet outer zone and it called rim structure. It is observed at temperature as low as 400 C so that fission track and cascade mixing could be the key mechanism. SEM observation revealed that the structure primarily appear on free surfaces of UO2, indicating strong sink for point defects may have a big role. And as generic observations, increase of lattice parameter indicates extensive amount of vacancies are stored in high burnup fuel, which may induce the restructuring interacting with dislocations of high density at high burnup. Considering these observations a model of reaction-diffusion process of defects with irradiation induced transport is proposed. The equations are investigated numerically. The model indicates that an instability starts when dislocation network starts intensive interaction with vacancy flux which is modified by interstitial diffusion between spatial segments. It appeared to be similar to the Turing type instability which indicates that the rim structure formation is one kind of the self-organizing processes of open reaction-diffusion systems.

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