Modelling and validating fission gas release, pore migration and oxygen redistribution in MOX fuel

The mixed oxide fuels (MOX) are candidate fuels for fast reactors of Generation IV. The conditions achieved in the fast reactors call for the need to investigate and model new, or more emphasized, processes involving the fuel. In this work, some of them will be analyzed and they are: the Fission Gas Release (FGR), the pore migration and the oxygen redistribution. These phenomena are generated or emphasized by the high temperatures and high burnups achieved in fast reactor MOX. In this thesis, I studied the physical limititations of the phenomena that involve the FGR, like the grain-face bubble growth and the consequent coalescence, introducing a lower bound to the number density of grain-face bubbles. These considerations have been extended to the current model for the fission gas behaviour present in the fuel performance code BISON, developed by Idaho National Laboratory (INL), where I spent six months of internship. Hence, this extension to the model has been validated against integral irradiation experiments using BISON. Also the model available in BISON for the pore migration has been validated against irradiation experimental data. It was possible also to validate some cases of offset restructuring. Last, but not least, a model for the oxygen redistribution has been implemented in the code, and it has been validated as well. The results of the performed validations are encouraging for all the analyzed phenomena, and they can lead to further improvements of the models and specially to more validations.

Il combustibile ad ossidi misti di uranio e plutonio MOX (Mixed OXide) è uno dei possibili candidati per i reattori veloci di quarta generazione. Le condizioni raggiunte nei reattori veloci portano alla necessità di investigare e modellare nuovi, o più accentuati, processi che avvengono nel combustibile, se comparati a quanto succede in reattori termici ad acqua leggera. Tra tali fenomeni, quelli che sono analizzati in questo lavoro sono il rilascio dei gas di fissione (FGR), la ristrutturazione del combustibile e la redistribuzione dell’ossigeno. Questi sono tutti fenomeni dovuti o accentuati dagli alti gradienti e livelli di temperatura e di burnup raggiunti nelle condizioni operative dai combustibili per reattori veloci. In questa tesi ho studiato alcuni fenomeni fisici che determinano il comportamento dei gas di fissione, in particolare l’evoluzione delle bolle inter-granulari, determinata dalla loro crescita e coalescenza. Il modello considerato ed esteso in questo lavoro è quello disponibile in BISON. Questo è un codice di performance del combustibile, sviluppato dall’INL (Idaho National Laboratory) negli Stati Uniti, dove ho trascorso sei mesi di internship per questo lavoro. Il modello è stato esteso introducendo una soglia fisica sul minimo numero di bolle inter-granulari ottenibili tramite coalescenza, quindi ho testato e validato il codice BISON rispetto ad esperimenti integrali d’irraggiamento. Per quanto riguarda la ristrutturazione del combustibile, il modello per la migrazione dei pori presente in BISON è stato anch’esso validato rispetto ad esperimenti integrali d’irraggiamento, alcuni dei quali presentavano una ristrutturazione eccentrica e sfalsata rispetto all’asse della barretta di combustibile analizzata. Infine è stato implementato e validato in BISON un modello per la redistribuzione dell’ossigeno. I risultati delle varie validazioni eseguite sono molto incoraggianti per tutti i fenomeni studiati e mettono in luce i miglioramenti ottenuti tramite gli sviluppi modellistici apportati al codice BISON in questo lavoro di tesi.