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Tesis

Evolución microestructural en pastillas combustibles bajo irradiación

2019



TesistaMauricio Exequiel CAZADO
Ingeniero en Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
DirectoresDra. Alicia Catalina DENIS.   CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Alejandro SOBA.   CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Lugar de realizaciónSecc. Códigos y Modelos – Subgcia. Desarrollo de Tecnología de Combustibles para Reactores de Potencia y Experimentales – Gcia. Ciclo del Combustible Nuclear – CAC - CNEA - Argentina
Fecha Defensa09/10/2019
JuradoDr. Julián Roberto FERNÁNDEZ.   CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Dr. Manuel José IRIBARREN.   CNEA, UNSAM - Argentina
Lic. Daniel Edgardo MARCHI.  CNEA - Argentina
CódigoITS/TM 206/19

Título completo

Evolución microestructural en pastillas combustibles bajo irradiación

Resumen

La Sección Códigos y Modelos de la Gerencia Ciclo del Combustible Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica ha desarrollado íntegramente el código DIONISIO que permite simular el comportamiento de los combustibles de reactores de potencia o de investigación en condiciones de operación normal y de accidentes. Los modelos que forman parte del código son susceptibles de revisiones y reformulaciones para poder abarcar diversas condiciones experimentales. El trabajo de tesis que se presenta nace de la necesidad de refinar la subrutina de DIONISIO dedicada a la simulación del fenómeno de densificación del combustible.

Cuando una pastilla de UO2 es sometida a irradiación, se producen múltiples fenómenos físicos y químicos. Dos de ellos tienen consecuencias opuestas sobre la porosidad. Por un lado, los poros retenidos de la fabricación se contraen produciendo una densificación del material, cuyo efecto es notable al comienzo del proceso. Por otro lado, los gases de fisión, que precipitan formando nuevas burbujas y/o se acumulan en los poros preexistentes, contribuyen a expandir la pastilla. Estos cambios dimensionales eventualmente pueden dar lugar a contacto entre la pastilla y la vaina, creando zonas de alta solicitación mecánica, cuyos efectos podrían resultar severamente perjudiciales. Esto muestra la importancia de describir cuantitativamente la evolución de la porosidad.

En este trabajo se presenta un modelo para evaluar los cambios en la porosidad de las pastillas combustibles, debido a los efectos térmicos y de la irradiación, teniendo en cuenta el flujo de defectos puntuales desde y hacia los poros. Además, se ofrece un modelo simplificado de caracterización de combustibles, en el que solo se considera la migración de vacancias, para simular los ensayos de re-sinterizado. Se analizó el comportamiento de ambos modelos al variar sus parámetros más significativos y se compararon sus resultados con medidas experimentales disponibles en la literatura abierta, encontrando un acuerdo satisfactorio. Finalmente, se realizaron las simulaciones de recocidos térmicos y experimentos con irradiación, utilizando el código DIONISIO con las nuevas subrutinas de densificación sincronizadas con el resto de los modelos, alcanzando un buen acuerdo entre los resultados provistos por el cálculo numérico y las medidas experimentales.

Complete Title

Microestructural evolution in fuel pellets under irradiation conditions

Abstract

The DIONISIO code has been entirely developed in the Codes and Models Section of the Nuclear Fuel Cycle Management of the National Atomic Energy Commission of Argentina. It simulates the behavior of fuels in power or research reactors under normal operating and accident conditions. The models included in the code are susceptible of revisions and reformulations to be able to cover a wider range of experimental conditions. The present thesis arises from the need of refining the subroutine of DIONISIO dedicated to the simulation of the fuel densification phenomenon.

When a UO2 pellet is subjected to irradiation, multiple physical and chemical phenomena occur. Two of them have opposite consequences on porosity. On the one hand, the fabrication pores shrink producing material densification, which effect is evident at the beginning of the process. On the other hand, the fission gases, which precipitate forming new bubbles and / or accumulate in the preexisting pores, contribute to expanding the pellet. These dimensional changes can eventually lead to contact between the pellet and the cladding, creating areas of high mechanical stress, whose effects could be severely detrimental. This shows the importance of quantitatively describing the evolution of porosity

 In this work a model is presented to evaluate the changes in the porosity of the fuel pellets, due to thermal and irradiation effects, taking into account the flow of point defects to and from the pores. In addition, a simplified fuel characterization model is offered, in which only vacancy migration is considered to simulate re-sintering tests. The behavior of both models was analyzed by varying their most significant parameters and their results were compared with experimental measures available in the open literature, finding a satisfactory agreement. Finally, the simulations of thermal annealing and irradiation experiments were carried out, using the DIONISIO code with the new densification subroutines synchronized with the rest of the models, reaching a good agreement between the results provided by the numerical calculation and the experimental measurements.


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