Development of a data-driven surrogate model for helium production in fast reactor Am-bearing fuels

Helium production in the nuclear fuel matrix during irradiation plays a critical role in the design and performance of Generation IV reactor fuel, as it is a major limiting factor regarding fuel burnup. A surrogate model for helium production is developed by statistical analysis of synthetic datasets obtained from the SCIANTIX extended and verified burnup module using the Latin hypercube sampling method. The burnup module is verified against high-fidelity results from the SERPENT depletion code and validated against experimental results from SUPERFACT-1 and SPHERE irradiation experiments. The surrogate model calculates helium production rate in uranium-plutonium mixed oxide (MOX) fuel containing minor actinides (MA) and in particular americium, as a function of the reactor fission rate density and irradiation time. The model is designed to put emphasis on minimal computational cost for its envisaged application in fuel performance codes.

La produzione di elio nella matrice del combustibile nucleare durante l’irraggiamento è un fenomeno di primaria importanza nelle fasi di progetto e di operazione del combustibile nei reattori di quarta generazione, in quanto fattore limitante per quanto riguarda la pressurizzazione interna della barretta. In questo lavoro si propone un modello surrogato per la produzione di elio, sviluppato sulla base dell’analisi statistica di set di dati prodotti artificialmente dal modulo di burnup SCIANTIX. Tale modulo è stato esteso come parte di questo lavoro di tesi, verificato rispetto ai risultati ad alta fedeltà del codice Monte Carlo SERPENT, e confrontato con i risultati sperimentali degli esperimenti SUPERFACT-1 e SPHERE. Il modello surrogato ottenuto permette il calcolo della produzione di elio in combustibili per reattori veloci caratterizzati dalla presenza di attinidi minori (MA), in funzione della densità del combustibile, della densità di fissione del reattore e del tempo di irraggiamento. Il modello surrogato ha l’obiettivo di ridurre drasticamente i tempi di calcolo facilitandone l’utilizzo ingegneristico nell’ambito dei codici di performance termomeccanica della barretta di combustibile.