Modelado del hinchamiento en pastillas de óxidos combustibles bajo irradiación
2023
| Tesista | Ingeniero Francisco ROTEA |
| Directores | Magister Mauricio Exequiel Cazado. CNEA - Argentina Dr. Alejandro Soba. CNEA - Argentina |
| Lugar de realización | Gerencia Ciclo del Combustible Nuclear–CAC |
| Fecha Defensa | 3/04/2023 |
| Jurado | Dra. Cinthia Paula Ramos. CNEA - Argentina |
| Código | ITS/TM-229/23 |
Título completo
Modelado del hinchamiento en pastillas de óxidos combustibles bajo irradiación
Resumen
En una pastilla de UO2 sometida a irradiación se producen múltiples fenómenos físicos y químicos interrelacionados entre sí, que producen cambios considerables en sus propiedades. Uno de estos fenómenos es el hinchamiento, producido a partir de la acumulación de productos de fisión sólidos y gaseosos que son generados durante la irradiación. La expansión volumétrica resultante posee efectos perjudiciales para la vida útil del combustible. Por un lado, este mecanismo facilita el contacto entre la pastilla y la vaina, creando zonas de alta solicitación mecánica. Por otra parte, se reduce la conductividad térmica del combustible, lo cual implica mayores temperaturas en la pastilla. Además, el fenómeno de hinchamiento por productos gaseosos se encuentra directamente relacionado a la liberación de gases de fisión hacia el volumen libre de la barra combustible, lo cual conlleva nuevamente a efectos negativos, tales como el aumento en la presión interna de la barra y la degradación de la conductividad térmica en el gap entre la pastilla y la vaina.
En esta tesis se ha desarrollado un modelo que pretende dar predicciones realistas de los procesos de hinchamiento de una pastilla combustible de UO2 bajo irradiación, teniendo en cuenta condiciones de alta exigencia, como pueden ser los transitorios rápidos de potencia. El modelo se compone de un módulo dedicado al tratamiento del gas que se encuentra en el interior del grano (intragranular), un módulo dedicado al tratamiento del gas que se encuentra en los bordes de grano (intergranular) y otro que trata el hinchamiento por productos sólidos. Además, como el modelo se encuentra fuertemente relacionado con los modos de crecimiento de grano del combustible, también se han analizado diferentes modelos para simular este fenómeno. A partir del modelo implementado se generó una subrutina dentro del código DIONISIO con la finalidad de hacerla funcionar en forma coordinada con las restantes subrutinas del programa. Con la nueva versión del código se realizaron diversas simulaciones cuyos resultados presentan buen acuerdo cuando se los compara con los datos experimentales disponibles en la literatura.
Palabras claves: DIONISIO, hinchamiento, liberación de gases de fisión, crecimiento de grano.
Complete Title
Modelling fuel oxide pellets swelling under irradiation conditions
Abstract
The Codes and Models Section of the Nuclear Fuel Cycle Management of the National Atomic Energy Commission of Argentina has fully developed the DIONISIO code, which makes it possible to simulate the behavior of power and research reactor fuels under normal operating and accident conditions. The models that are part of the code are subject to revisions and reformulations in order to cover different experimental conditions. The present thesis arises from the need to increase the range of validity of the subroutine dedicated to fuel swelling.
In a UO2 pellet subjected to irradiation, multiple interrelated physical and chemical phenomena occur, which cause considerable changes in its properties. One of these phenomena is swelling, produced by the accumulation of solid and gaseous fission products generated during irradiation. The resulting volumetric expansion has detrimental effects on the operational lifetime of the fuel. On the one hand, this mechanism facilitates contact between the pellet and the cladding, creating areas of high mechanical stresses. On the other hand, the thermal conductivity of the fuel is reduced, which implies higher temperatures in the pellet. Furthermore, the gaseous swelling phenomenon is directly related to the release of fission gases into the free volume of the fuel rod, which again leads to negative effects, such as the increase in the internal pressure of the rod and the degradation of the thermal conductivity in the gap between the pellet and the cladding.
In this thesis, a model capable of giving realistic predictions of the swelling processes of a UO2 fuel pellet under irradiation has been developed, taking into account highly demanding conditions, such as fast power transients. The model is composed of a module dedicated to the behaviour of the gas inside the grain (intragranular gas), one for the behaviour of the gas at the grain boundaries (intergranular gas) and another one that addresses the swelling by solid products. In addition, as the model has a strong relationship with the fuel grains’ growth, different models have also been analyzed to predict this phenomenon. Starting from the developed model, a subroutine was generated within the DIONISIO code in order to couple it with the other subroutines of the program. With the new version of the code, several simulations were carried out, and the results show a good agreement when compared with the experimental data available in the literature.
Keywords: DIONISIO, swelling, fission gas release, grain growth.
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