An analysis method was developed to predict the equilibrium inventory of unstable fission products in the fuel-to-cladding gap of intact fuel rods under steady-state operating conditions. With the shape of grain treated as tetrakaidecahedron (TKD), the fraction of fission gas bubbles interlinked to open surface at grain corners was determined with use of the Monte Carlo technique and the White and Tucker's model. The release of unstable fission products from the interior region of the fuel pellet to the gap was related to irradiation conditions such as burnup, temperature and external restraint pressure on fuel pellet. In the lower temperature region where temperature is lower than about 1200℃, most of the release of unstable fission products was predicted to occur via burnup-independent paths such as crack and/or open pores. On the other hand, the release of unstable fission products appeared to be closely related to the interlinkage of grain corner bubbles at temperatures higher than 1200℃. In spite of several simplifying assumptions adopted for the prediction of inter-linkage of grain corner bubbles, the present method yields results that shows reasonable agreement between predicted and measured results from the CONTACT experiments and FIO series tests. Furthermore, the agreement indicates that during steady-state operation bubble interlinkage at grain corners is the most important step in determining the release rate of unstable fission products.
In the case of defective fuel rods, another analysis method was also developed to predict both the contents of unstable fission products in the gap and the amount released to the coolant of the PWR containing defective fuel rods under steady-state operating conditions. It takes into account relevant physical processes, such as fuel pellet oxidation, and enhancement of fission gas diffusivity. Transport of the fission products from the gap to the coolant is assumed to occur by a first-order rate process. The fraction of fission gas bubbles on grain boundaries interlinked to open surfaces is determined in the same way as used for intact fuel rods.
Comparison of predicted results with experimental data obtained under irradiation conditions shows that although uncertainty exists in each physical process mentioned above, the present method predicts reasonably well the contents of unstable fission products in the coolant released from the gap inventory of defective fuel rods when the pellet temperature lies in the following range : it is neither so high as to cause grain boundary sweeping nor so low as to cause the gap to be filled with water or mixture of water and steam. On the other hand, if the linear heat rate is low enough to permit the presence of water in the gap or if the linear heat rate is so high as to induce grain boundary sweeping, the present method underpredicts the amount of unstable fission products in the gap and coolant under steady-state operating conditions.
원자로의 정상운전 조건하에서 건전한 핵연료봉의 갭에 존재하는 불안정한 핵분열 생성물의 저장량을 예측하기 위해, 본 연구에서는, 균열 된 소결체의 한 조각을 불안정한 핵분열기체 방출을 모사하기 위한 기본 단위로 삼고, 기본 단위 표면 근처에서의 확산에 의한 소량의 핵분열기체 방출은 Booth 개념을 도입하여 계산하였다. 핵분열기체 기포의 연결에 의한 방출량 예측을 위해서는, $UO_2$ 결정립이 TKD 형상이라고 가정할 때, 소결체 내부에서 자유 표면까지의 기포의 상호 연결정도가 결정립계에 존재하는 기포의 반경에 좌우된다는 전제하에서, 우선 핵분열기체 기포의 반경을 기존의 모델을 이용하여 조사조건의 함수로 계산하였다. 그런 연후에, 위에서 언급된 기본 단위내에 결정립계 기포의 기하학적 형상을 고려하여 일정한 반경 및 갯수의 기포를 Monte Carlo 기법을 활용하여 형성시킨 후, 총 기포 갯수중에서 몇 개의 기포가 기본 단위의 자유 표면과 연결 되었는가를 예측하였다. 이 갯수를 총 기포 갯수로 나눈 값이 바로 matrix 내에서 생성된 불안정한 핵분열기체가 방출경로를 통하여 갭으로 방출되는 양의 계산에 필요한 경로의 형성 정도(f) 로서, 본 논문에서 결정립계의 상호 연결정도를 정량적으로 취급하기 위해 제시한 새로운 방법이다. 이 f를 Booth 개념과 연결하고 연소조건을 고려하여 정상가동 조건하에서 예측한 갭에서의 불안정한 핵분열기체의 방사능 저장량은 실측치와 비교적 잘 일치하였다.
파손 핵연료봉의 갭에 존재하는 불안정한 핵분열생성물의 양을 예측하기 위해, 본 연구에서는 원자로 및 파손 핵연료의 운전 조건을 고려하여 소결체의 산화 거동을 모사하고 이를 바탕으로 갭으로 방출되는 불안정한 핵분열기체의 양을 모델링한다. 그리고 갭에서 손상부위를 통하여 냉각수로 방출되는 과정은 first-order rate process에 의해 기술 가능하다는 가정하에서 모사한다. 또한 건전한 핵연료봉의 갭 저장량 예측을 위해 개발 된 방법(Monte Carlo 방법)을 파손 핵연료봉의 갭 저장량 예측에도 도입함으로써, 파손 핵연료봉에서 핵분열기체의 방출이 가속화되는 현상을 파손 핵연료봉의 운전 조건을 고려하여 mechanistic 하게 모델링하였다. 즉 파손 핵연료봉의 운전조건(칫수,선형출력,연소도)이 핵연료봉의 산화에 의한 핵분열기체의 확산계수 증가, 또 이로 인한 결정립계에서 핵분열기체 기포 상호간의 연결이 용이해짐에 따i}AE 핵분열기체 방출의 증가 등을 경험적인 방법이 아닌 실제로 발생하는 물리적 상황을 고려하여 갭으로 방출되는 불안정한 핵분열기체의 양을 예측하였다.
예측치와 실측치를 비교한 결과, 파손 핵연료봉의 선형출력이 핵연료봉 중심부의 결정립계에서 sweeping이 발생할 정도로 너무 높거나 혹은 선형출력이 갭에 수증기가 아닌 액체상의 냉각수가 존재할 정도로 너무 낮은 경우가 아니면, 본 연구에서 제시한 방법은 파손 핵연료봉으로부터 냉각수로 방출된 불안정한 핵분열 기체의 양을 잘 예측하였다.
