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Tesis

Estudio analítico y numérico de los efectos de la irradiación hasta alto quemado en combustibles de reactores de potencia

2013



Tesista Martín Rodolfo LEMES LAPASTA
Licenciado en Matemática Aplicada - Universidad Nacional de la Matanza - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Directores Dra. Alicia DENIS, CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Alejandro SOBA, CNEA, CONICET - Argentina
Lugar de realizaciónDepartamento Combustibles Nucleares - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa 23/04/2013
Jurado Dr. Julián Roberto FERNÁNDEZ, CNEA,UNSAM, CONICET - Argentina
Ing. Santiago HARRIAGUE, CNEA - Argentina
Dra. Rosa PIOTRKOWSKI, UNSAM - Argentina
Código IS/T 139/13

Título completo

Estudio analítico y numérico de los efectos de la irradiación hasta alto quemado en combustibles de reactores de potencia

Resumen

En este trabajo se analiza el comportamiento de las pastillas de combustible para reactores de potencia en el rango de alto quemado (quemado medio en la pastilla superior a 50 MWd/kgHM). Para irradiaciones prolongadas, en la periferia de la pastilla (zona rim) se alcanza una concentración considerable de Pu, que contribuye localmente al quemado, a la vez que se desarrolla una microestructura caracterizada por granos muy pequeños y poros muy grandes comparados con los tamaños típicos del material original. Asimismo, se comprueba la ausencia en esta zona de xenón disuelto en la matriz sólida (aunque continúa estando presente en el resto de la pastilla). La existencia de una microestructura porosa en el borde de la pastilla modifica localmente las propiedades mecánicas y térmicas y afecta el comportamiento del combustible en su conjunto. La evolución de la porosidad en la estructura de alto quemado (HBS) es considerada un punto importante en la capacidad de retención de los gases de fisión liberados por la matriz. Por esto, en los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo a caracterizar los parámetros que influyen en el fenómeno de porosidad. A partir de diferentes trabajos publicados en la literatura, se desarrolló un modelo que permite describir el comportamiento y desarrollo de la porosidad en el rango de quemado local que abarca desde 60 hasta 300 MWd/KgHM. El modelo se expresa por medio de un sistema de ecuaciones diferenciales no lineales acopladas que tienen en cuenta los poros cerrados y abiertos, las interacciones entre los poros y la superficie libre, y fenómenos como los de coalescencia, migración de poros y venteo de gas. Se analizan interacciones de diversos órdenes entre poros abiertos y cerrados, el crecimiento del radio de los poros por captura de vacancias, la evolución de las densidades de los mismos, la presión y sobre presión en el interior de los poros cerrados, la cantidad de gas de fisión retenido en la matriz del combustible y la de gas liberado al volumen libre. Los resultados de las simulaciones realizadas en este trabajo están en muy buen acuerdo con datos experimentales disponibles en la literatura y con resultados calculados por otros autores.

Complete Title

Analytical and numerical study of the high burnup effects in fuels for nuclear power reactors

Abstract

In the present work the behavior of fuel pellets for power reactors in the high burnup range (average burnup higher than 50 MWd/kgHM) is analyzed. For extended irradiation periods, a considerable Pu concentration is reached in the pellet periphery (rim zone), that contributes to local burnup, as long as a new microstructure develops, characterized by small grains and large pores as compared with those of the original material. In this region Xe is absent from the solid lattice (although it continues to be dissolved in the rest of the pellet). The porous microstructure in the pellet edge causes local changes in the mechanical and thermal properties, thus affecting the overall fuel behaviour. The evolution of porosity in the high burnup structure (HBS) is assumed to be determinant of the retention capacity of the fission gases released by the matrix. This is the reason why, during the latest years a considerable effort has been devoted to characterizing the parameters that influence porosity. Starting from several works published in the open literature, a model was developed to describe the behaviour and development of porosity at local burnup values ranging from 60 to 300 MWd/KgHM. The model is mathematically expressed by a system of non-linear differential equations that take into account the open and closed porosity, the interactions between pores and the free surface and phenomena like coalescence and migration of pores and gas venting. Interactions of different orders between open and closed pores, growth of pores radius by vacancies trapping, the evolution of the pores number density, the internal pressure and over pressure within the closed pores, the fission gas retained in the matrix and released to the closed pores and to the free volume of the rod are analyzed. The results of the simulations performed in the present work are in very good agreement with experimental data available in the open literature and with results calculated by other authors.

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