Modelling dislocation density evolution in UO2 under irradiation

This MSc thesis presents a study devoted to the development of a rate theory model for the microstructural evolution of irradiated UO2, a commonly adopted fuel in commercial nuclear power reactors. Among the several effects induced by irradiation, the main focus of the model lies in properly predicting the evolution of dislocation density. Dislocations have a crucial role in determining the amount of high burn-up restructuring of the fuel, a phenomenon peculiar to ceramic fuels observed after prolonged irradiation times. The formation of highly restructured fuel modifies the behaviour of the fuel itself: fuel performance codes generally account for it by exploiting correlations linking dislocation density to parameters directly obtained by fitting experimental data. Clearly, such correlations may fail to predict the onset of high burn-up restructuring outside the conditions at which these data have been derived. Hence, the aim of this work is not only to build a model able to return reasonable dislocation density estimations for large ranges of operating conditions, but also to provide a physical description of the several mechanisms originated from irradiation as an alternative to empirical correlations. Furthermore, the surrogation of the model is conceived through a neural network for a feasible implementation of the developed model within fuel performance codes. The outcome offers a physically-based model that can be used either as a stand-alone or as an integrated module in fuel performance codes.

Questa tesi magistrale presenta uno studio volta allo sviluppo di un modello cinetico per l'evoluzione microstrutturale dell'UO2 irraggiato, un combustibile comunemente impiegato nei reattori nucleari commerciali. Tra gli svariati effetti indotti dall'irraggiamento, il modello si focalizza nel predire adeguatamente l'evoluzione della densità delle dislocazioni. Le dislocazioni hanno un ruolo cruciale nel determinare la quantità di ristrutturazione per alto tasso di bruciamento del combustibile, un fenomeno tipico dei combustibili ceramici sottoposti a irraggiamenti prolungati. La formazione di combustibile fortemente ristrutturato modifica il comportamento del combustibile stesso: generalmente, i codici di prestazione ne tengono conto sfruttando correlazioni che legano la densità delle dislocazioni a parametri ottenuti direttamente dall'interpolazione di dati sperimentali. Chiaramente queste correlazioni potrebbero fallire nel predire l'emergere della microstruttura ad alto tasso di bruciamento all'infuori delle condizioni da cui sono stati ricavati i dati di interpolazione. Di conseguenza l'obiettivo di questo lavoro non è solo quello di costruire un modello capace di restituire stime ragionevoli delle densità di dislocazioni su grandi intervalli di condizioni operative, ma anche di fornire una descrizione fisica dei svariati meccanismi che si originano dall'irraggiamento come alternativa alle correlazioni empiriche. Inoltre, è stata concepita la surrogazione del modello tramite una rete neurale per un'implementazione fattibile del modello all'interno di codice più complessi. Il risultato offre un modello fisico che può essere usato sia autonomamente, sia come modulo integrato nei codici termomeccanici di prestazione del combustibile.