Analysis of an Am-bearing experimental fuel pin in a MYRRHA transient scenario

MYRRHA (Multi-purpose Hybrid Research Reactor for High-tech Applications) is an experimental, fast spectrum, reactor being developed at the Belgian Nuclear Research Centre (SCK•CEN) in the framework of the European Sustainable Nuclear Industrial Initiative (ESNII) program. It is the world’s first large scale Accelerator Driven System (ADS) project at power levels scalable to industrial systems. One of the purposes of the facility is to prove the feasibility of an efficient trasmutation of minor actinides to reduce the long-term radioactivity from the spent fuel. The thermo-mechanical analysis of an Am-bearing fuel pin designed for MYRRHA, under both nominal and accidental operating conditions, is herein performed along with the assessment of the safety design limits. To this end, the TRANSURANUS fuel performance code is applied, extended via the implementation of two novel correlations for the specific heat of mixed-oxide fuels suitable for fast reactor irradiation, accounting for the effect of Am content and of the Bredig transition on this thermal property. Finally, the results of the hottest pin performance under Beam Power Jump (BPJ) scenarios are herein exploited to provide indications for the future development of the ETNA facility (rEsearch on sTructural material and traNsient scenArio) in which the MYRRHA fuel will be transient-tested as a fundamental step of the pin design and licensing.

MYRRHA (Multi-purpose Hybrid Research Reactor for High-tech Applications) è un reattore sperimentale a spettro veloce in fase di sviluppo presso il Belgian Nuclear Research Centre (SCK•CEN) nel quadro del programma europeo Sustainable Nuclear Industrial Initiative (ESNII). È il primo progetto al mondo su larga scala di Accelerator Driven System (ADS) a livelli di potenza scalabili per sistemi industriali. Uno degli scopi dell'impianto è dimostrare la fattibilità di un'efficiente trasmutazione degli attinidi minori per ridurre la radioattività a lungo termine del combustibile esausto. In questo lavoro di tesi viene presentata l'analisi termo-meccanica di una barretta di combustibile contenente americio in condizioni operative sia nominali che incidentali, insieme alla valutazione dei limiti di progettazione per la sicurezza della stessa. Lo strumento utilizzato per eseguire la suddetta analisi è il codice di prestazione del combustibile TRANSURANUS, esteso grazie all'implementazione di due nuove correlazioni che predicono il calore specifico di combustibile ad ossidi misti adatto all'irraggiamento in reattori veloci. Tali correlazioni tengono conto dell'effetto del contenuto di Am e della transizione Bredig su questa proprietà termica. Infine, i risultati della prestazione della barretta di combustibile più calda ottenuti durante il Beam Power Jump (BPJ) vengono sfruttati per fornire indicazioni per il futuro sviluppo dell'impianto ETNA (rEsearch on sTructural material and traNsient scenArio) in cui il combustibile di MYRRHA verrà testato in vista della progettazione e del processo di ottenimento della licenza della barretta.