Modelling and assessment of thermophysical properties of am-bearing fuels for transmutation purposes in fast reactors

Minor Actinides (MAs) are produced inside nuclear reactor fuels under irradiation and are responsible of large part of the waste radiotoxicity. Partitioning and Transmutation (P&T) is identified as the strategy that can relax constraints on geological disposal, since transmutation of MAs via critical or subcritical fast spectrum irradiation facilities like MYRRHA is a valid path to reduce waste hazard. One of the focuses of the PATRICIA project is the development of fuel performance codes towards Am-bearing fuels and the computational study of their behaviour under irradiation, supporting the licensing and development of advanced designs of the MYRRHA reactor. This work focuses on the modelling of thermophysical properties of transmutation-type fuel concepts for fast reactor application, specifically of melting temperature, specific heat capacity and thermal conductivity of (U,Pu,Am)O2-x and (U,Am)O2-x. Developed models are verified against separate-effect data, and implemented in the TRANSURANUS fuel performance code to simulate the past irradiation experiments MARINE, SPHERE (blanket- / driver-type Am-fuel, respectively) and HEDL P-19 (transient power-to-melt test), for the evaluation of the impact of new models on the pin performance and their integral validation.

Gli attinidi minori prodotti nel combustibile nucleare durante l’irraggiamento in reattore sono i maggiori responsabili della radiotossicità dei rifiuti radioattivi di alto livello. Strategie di partizionamento e trasmutazione (P&T) sono state identificate come chiave per allentare i vincoli sui depositi geologici, dal momento che la trasmutazione di tali elementi, attraverso sistemi di irraggiamento critici e sottocritici a spettro veloce come MYRRHA, viene considerata una via valida al fine di ridurre il pericolo associato ai rifiuti nucleari. Tra gli obbiettivi del progetto PATRICIA rientra lo sviluppo di codici di prestazione rivolti a combustibili caricati con americio, e attività computazionali rivolte allo studio del loro comportamento sotto irraggiamento, con l’obbiettivo di supportare lo sviluppo di configurazioni avanzate del reattore MYRRHA. Questo lavoro di tesi si concentra sulla modellazione delle proprietà termofisiche di tipologie di combustibili adatti alla trasmutazione di attinidi in reattori veloci, nello specifico la temperatura di fusione, il calore specifico e la conducibilità termica di sistemi (U,Pu,Am)O2-x e (U,Am)O2-x. I modelli sviluppati sono stati verificati contro dati disponibili e implementati nel codice di prestazione TRANSURANUS al fine di simulare gli esperimenti di irraggiamento MARINE, SPHERE (selezionati in quanto riguardanti combustibili contenenti americio di tipo blanket e driver), e HEDL P-19 (test transitorio fino al raggiungimento della fusione del combustibile), per valutare l’impatto dei nuovi modelli sul comportamento di barretta sotto irraggiamento e per la loro validazione integrale.