Assessment of advanced tools for 3D modelling of pellet-cladding mechanical interaction in nuclear fuel rods

Pellet-cladding mechanical interaction (PCMI) is a phenomenon that determines the behaviour of nuclear fuel rods in both normal and accidental conditions. Understanding the mechanisms that are in play in PCMI so as to prevent related failures from the design phase is key both for safety and economic reasons. For this and other purposes, numerical codes have been developed. This phenomenon is analyzed using 1.5D thermomechanical codes; however, in the recent past there has been a growing interest for 2D/3D codes that allow for a better representation of PCMI. This thesis is part of the validation efforts for the OFFBEAT 2D/3D code within the OperaHPC European project. The 2D simulation of a fuel rod poses an important challenge as it implies the modelling in detail of complex phenomena and the subsequent validation process. For this purpose, the Risø AN3 experiment has been simulated, for which there are experimental data, as well as results of simulations done with conventional, 1.5D Fuel Performance Codes (FPCs), such as FRAPCON. Using OFFBEAT for 1.5D simulations quite good results have been obtained, in line with both measured data and FRAPCON results. OFFBEAT 2D results, show promising agreement that will be deepened in future works.

"Pellet-cladding mechanical interaction" (PCMI) è un fenomeno che determina il comportamento delle barre di combustibile nucleare sia in condizioni normali che accidentali. Comprendere i meccanismi coinvolti nella PCMI, al fine di prevenire guasti correlati già dalla fase di progettazione, è fondamentale sia per ragioni di sicurezza che economiche. Per questo e altri scopi, sono stati sviluppati codici numerici. Questo fenomeno viene analizzato utilizzando codici termomeccanici 1.5D; tuttavia, recentemente c'è stato un crescente interesse per i codici 2D/3D, che consentono una migliore rappresentazione della PCMI. Questa tesi fa parte degli sforzi di validazione per il codice 2D/3D OFFBEAT nell'ambito del progetto europeo OperaHPC. La simulazione 2D di una barra di combustibile rappresenta una sfida importante, in quanto implica la modellizzazione dettagliata di fenomeni complessi e il successivo processo di validazione. A tal fine, è stato simulato l'esperimento Risø AN3, per il quale sono disponibili dati sperimentali, così come i risultati delle simulazioni effettuate con codici convenzionali di performance del combustibile 1.5D (FPC), come FRAPCON. Utilizzando OFFBEAT per le simulazioni 1.5D, sono stati ottenuti risultati abbastanza buoni, in linea sia con i dati misurati che con i risultati di FRAPCON. I risultati 2D di OFFBEAT mostrano un promettente accordo che sarà approfondito in lavori futuri.