Modelling of thermal properties of minor actinide-MOX fuel and assessment against the SUPERFACT-1 irradiation experiment

The thermal analysis of nuclear fuel is fundamental for the prediction of the fuel central temperature, driving many other interconnected physical phenomena and properties and impacting on the global fuel pin performance. The goal of this modelling and assessment activity is to validate reliable correlations for the thermal conductivity and melting temperature of MOX and minor actinide-MOX, suitable for application in fuel performance codes. The present work starts with an updated state-of-the-art literature review of MOX fuel thermal correlations and available experimental data. The main existing correlations have been first separate-effect validated and compared, as a function of the main dependencies involved (i.e., temperature, plutonium content, oxygen-to-metal ratio, porosity, burn-up). In particular, the analysis focused on the assessment of the recent Magni et al. correlations (Journal of Nuclear Materials, vol. 541, 152410, 2020) for both MOX thermal conductivity and melting temperature. The assessment was complemented by the integral validation against the SUPERFACT-1 irradiation experiment, by means of the TRANSURANUS fuel performance code, and by an uncertainty propagation analysis on simulation results of engineering interest. The second part of the work has been based, firstly, on state-of-art literature review of MA-MOX fuel thermal correlations and available experimental data and, secondly, on the modelling activity of new correlations for this kind of fuels. The novel correlations, obtained by a best fit procedure, have been also extensively assessed, both against experimental data with separate-effect validation and integrally, still considering the SUPERFACT-1 experiment (involving minor actinide-MOX fuels). The obtained results on these new correlations show a good agreement in both two validation processes, improving the predictions of the experimental data with respect to other correlations, and to the Magni et al. (2020) proposal as well.

L'analisi termica del combustibile nucleare è fondamentale per la previsione della temperatura centrale del combustibile, che determina molti altri fenomeni fisici e proprietà interconnessi influenzando le prestazioni globali della barretta di combustibile. L'obiettivo di questa attività di modellazione e valutazione è convalidare correlazioni affidabili per la conducibilità termica e la temperatura di fusione di MOX e attinide minore-MOX, adatte per l'applicazione nei codici di prestazione del combustibile. Il presente lavoro inizia con una revisione della letteratura allo stato dell'arte aggiornata delle correlazioni termiche del combustibile MOX e dei dati sperimentali disponibili. Le principali correlazioni esistenti sono state prima convalidate e confrontate con effetti separati, in funzione delle principali dipendenze coinvolte (es. Temperatura, contenuto di plutonio, rapporto ossigeno / metallo, porosità, burn-up). In particolare, l'analisi si è concentrata sulla valutazione delle recenti correlazioni di Magni et al. (Journal of Nuclear Materials, vol.541, 152410, 2020) sia per la conducibilità termica MOX che per la temperatura di fusione. La valutazione è stata completata dalla convalida integrale rispetto all'esperimento di irraggiamento SUPERFACT-1, mediante il codice di prestazione del combustibile TRANSURANUS, e da un'analisi di propagazione dell'incertezza sui risultati di simulazione di interesse ingegneristico. La seconda parte del lavoro si è basata, in primo luogo, sulla revisione della letteratura allo stato dell'arte delle correlazioni termiche del combustibile MA-MOX e dei dati sperimentali disponibili e, in secondo luogo, sull'attività di modellazione di nuove correlazioni per questo tipo di combustibili. Le nuove correlazioni, ottenute con una procedura best fit, sono state anche ampiamente valutate, sia rispetto a dati sperimentali con validazione ad effetto separato, sia integralmente, ancora considerando l'esperimento SUPERFACT-1 (che coinvolge combustibili minori attinidi-MOX). I risultati ottenuti su queste nuove correlazioni mostrano un buon accordo in entrambi i due processi di validazione, migliorando le previsioni dei dati sperimentali rispetto ad altre correlazioni e a quelle proposte da Magni et al. (2020).