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Tesis

Simulación de fenómenos termomecánicos en una barra combustible de un reactor de potencia en operación

2002



Título Simulación de fenómenos termomecánicos en una barra combustible de un reactor de potencia en operación
Nombre Soba, Alejandro
Licenciado en Física Universidad de Buenos Aires Argentina
Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales UNSAM
Directores Dra. Denis Alicia. CNEA
.
. CNEA Centro Atómico Constituyentes
Fecha Defensa 06/052002
Jurado

Código Código IT IT/T--73/02

Resumen

Se presenta el estado de avance en el desarrollo de un código de cálculo que simula algunos de los fenómenos fundamentales que ocurren en un elemento combustible de un reactor de potencia durante su quemado: distribución de temperatura, dilatación térmica, deformaciones elástica y plástica, fluencia, crecimiento por irradiación, interacción mecánica entre la pastilla y la vaina, liberación de gases de fisión, hinchado y densificación. La dilatación térmica da origen a deformaciones elástica y plástica, que describen en forma adecuada el efecto bambú. Se supone que la simetría es axial y se emplean elementos finitos cilíndricos para discretizar el problema. Para calcular el inventario de gases de fisión, se emplea un modelo de difusión que supone granos esféricos y se utiliza también el método de elementos finitos. Una vez obtenida la distribución de temperatura en el dominio de interés, se procede a resolver las interacciones elastoplásticas instantáneas para pasar posteriormente a las situaciones dependientes del tiempo como la fluencia, el crecimiento por irradiación y el relacionado con gases de fisión. Para ello se toma cada elemento finito del dominio y se resuelve el problema de difusión de los gases en un grano representativo de cada uno, multiplicando después por la cantidad de granos dentro del volumen del elemento. La presión, incrementada por los gases liberados, interactúa con el campo de tensiones. Se incluyen en el análisis la densificación y el hinchado debido a productos de fisión sólidos y gaseosos. El código se empleó para simular experimentos, en particular los experimentos MOX y los de la serie FUMEX. Se obtuvo un buen acuerdo en el cálculo de la temperatura central, la presión interna de la barra y la fracción de gases liberados.

Complete Title

Abstract

This work summarizes the present status of a computer code that describes some of the main phenomena occuring in a nuclear fuel rod throughout its life. Temperature distribution, thermal expansion, elastic and plastic strains, creep, irradiation growth, mechanical interaction between pellet and cladding, fission gas release, gas mixing, swelling and densification are modeled. The modular structure of the code allows for the incorporation of models to simulate different phenomena and material properties. Collapsible rods can be also simulated. The code is bidimensional, assumes cylindrical symmetry for the rod and uses the finite element method to integrate the differential equations. The stress-strain and heat conduction problems are non-linear due to plasticity and to the temperature dependence of the thermal conductivity. The fission gas inventory is calculated with a diffusion model, assuming spherical grains and using a one-dimensional finite element scheme. Pressure increase, swelling and densification are coupled with the stress field. Good results are obtained for the simulation of the irradiation tests of the first argentine prototypes of MOX fuels, where the bamboo effect is clearly observed, and of the FUMEX series for the fuel centreline temperature, the inside rod pressure and the fractional gas release.

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