Integral validation of an intra-granular fission gas behavior model with the BISON fuel performance code

The fission gas behavior represents a fundamental aspect in the frame of the fuel performance analysis. The behavior of gaseous fission products affects the thermo-mechanical performance of fuel rods by means of the fuel swelling and the fission gas release. The primary objective of this thesis work is the integral validation of a physics-based fission gas behavior model developed on a cluster dynamics approach and implemented in the BISON fuel performance code. The model describes the intra-granular gas behavior through the coupling of the bubble evolution with the fission gas diffusion towards grain boundaries, extending the state of the art of the BISON code, that employs empirical assumptions instead. The validation has been performed considering experimental data from nine light water reactor fuel rods irradiated in the frame of the OECD/NEA International Fuel Performance experiments, including some rods considered in the FUMEX-II and FUMEX-III projects, coordinated by the IAEA. For the sake of completeness, the cases have been simulated twice: firstly adopting the state of the art of the BISON code and, then, employing the proposed intra-granular model. The implementation of the model in the BISON code has allowed performing its integral validation, investigating also the fission gas behavior effects on the thermo-mechanics of the irradiated fuel rods. On the other hand, a finer analysis has been conducted on specific samples from fuel rods subjected to post-irradiation examinations. The validation demonstrated the capabilities of the new physics-based model in providing consistent results with the state of the art and general improved performance in predicting the experimental data. The model proposed in this thesis work, developed from a robust physical methodology, allows for further developments of the intra-granular fission gas behavior modeling.

La modellazione del comportamento dei gas di fissione rappresenta uno degli aspetti fondamentali dell'analisi dei combustibili nucleari. Le prestazioni delle barrette di combustibile dipendono da tale comportamento poiché il rilascio dei gas di fissione e il rigonfiamento delle pastiglie, dovuto ai gas, incidono sulla termo-meccanica delle stesse barrette. Questo lavoro di tesi ha come obbiettivo la validazione integrale di un modello fisico, implementato nel codice di performance BISON, che descrive il comportamento intra-granulare dei gas di fissione. Esso è stato sviluppato a partire da un approccio di cluster dynamics e consente di modellare efficacemente l'evoluzione delle bolle di gas generate all'interno dei grani, accoppiando con successo tale evoluzione con il processo di diffusione dei gas nell'UO2. A pari capacità predittive, il modello proposto migliora in termini modellistici lo stato dell'arte del codice BISON, in cui l'evoluzione delle bolle intragranulari era trattata mediante un approccio basato su correlazioni empiriche. La validazione del modello fisico proposto è stata affrontata considerando i dati sperimentali di nove barrette irraggiate in reattori ad acqua leggera appartenenti al programma di ricerca International Fuel Performance Experiments dell'OECD/NEA, alcune delle quali sono parte dei progetti FUMEX-II e FUMEX-III promossi da IAEA. In questo lavoro le storie di irraggiamento di tali barrette sono state simulate due volte: in primo luogo impiegando lo stato dell'arte e in seguito applicando il modello fisico considerato. L'implementazione del modello in BISON ha consentito la sua validazione a livello integrale, rendendo possibile l'analisi degli effetti del comportamento dei gas di fissione sulla termo-meccanica delle barrette. Inoltre, dati sperimentali, prodotti esaminando specifici campioni di combustibile irraggiato, sono stati utilizzati per condurre un'indagine locale più approfondita. La validazione ha dimostrato che il modello fisico fornisce risultati consistenti con lo stato dell'arte del codice e in generale produce migliori predizioni dei risultati sperimentali. Il modello lascia spazio a ulteriori sviluppi per la descrizione del comportamento intra-granulare dei gas di fissione.