Towards physics-based description of fuel fragmentation: fission gas behaviour at grain boundaries

The modelling of fission gas behavior (FGB) is a crucial aspect of nuclear fuel performance analysis, as it significantly impacts phenomena such as pellet-cladding mechanical interaction (PCMI), thermal conductivity degradation, and fuel fragmentation (FF). In this study, a physics-based model for FGB at the grain boundaries of UO2 fuel is developed, focusing on fission gas-filled bubble behaviour, specifically on bubble coalescence and gas release mechanisms. First, Pastore’s model for bubble coalescence is adopted. Second, thermally-driven gas release is described by gas diffusion through continuous bubble networks at grain boundaries. Finally, a physics-based model for predicting micro-cracking due to bubble overpressurization is developed using a fracture mechanics approach. The model, integrated into the SCIANTIX code, is validated against five separate-effect experiment datasets, including annealing tests and grain-face observations via scanning electron microscopy (SEM). Further validation is performed by coupling SCIANTIX with the TRANSURANUS Fuel Performance Code and evaluating the model’s performance against 34 fuel rod irradiation experiments from the OECD database. Both separate-effect and integral validation results demonstrate promising predictive capabilities for gaseous swelling and fission gas release (FGR), with minimal parameter calibration. This work provides a valuable tool for improving FGB modelling through a physics-based approach and lays the groundwork for future extensions to High Burn-up Structures (HBS), which will enable a physics-based description of fuel fragmentation by following the concept of overpressurisation of porosities, as described in the burst release model.

La modellizzazione del comportamento dei gas di fissione è un aspetto cruciale nell’analisi delle prestazioni del combustibile nucleare, in quanto impatta significativamente su fenomeni come l’interazione meccanica tra pastiglia e guaina, la degradazione della conducibilità termica e la frammentazione del combustibile. In questo studio, è stato sviluppato un modello fisico per il comportamento dei gas di fissione a bordo grano del combustibile UO2, in particolare per i meccanismi di coalescenza delle bolle intergranulari e di rilascio del gas nel volume libero della barretta. In primo luogo, è stato adottato il modello di coalescenza delle bolle di Pastore. Secondariamente, il rilascio termicamente indotto del gas è stato descritto attraverso la sua diffusione nei tunnel formati dalla coalescenza delle bolle intergranulari. Infine, è stato sviluppato un modello fisico per predire la micro-fratturazione dovuta all’overpressurizzazione delle bolle intergranulari, utilizzando un approccio di meccanica della frattura. Il modello, implementato nel codice SCIANTIX, è stato validato utilizzando cinque set di dati da esperimenti a effetti separati, inclusi test di ricottura ad alta temperatura e osservazioni al microscopio SEM dei bordi grano. Un'ulteriore validazione è stata effettuata accoppiando SCIANTIX con il codice TRANSURANUS e valutando le prestazioni del modello in 34 esperimenti di irraggiamento di barre di combustibile provenienti dal database OECD. I risultati della validazione, sia a effetti separati che integrale, mostrano promettenti capacità predittive per il rigonfiamento gassoso e il rilascio di gas di fissione, con una calibrazione minima dei parametri. Questo lavoro fornisce uno strumento prezioso per migliorare la modellizzazione del comportamento dei gas di fissione tramite un approccio fisico. Inoltre questo studio getta le basi per una futura estensione a zone irraggiate ad alti tassi di bruciamento, che consentirà una descrizione fisica della frammentazione del combustibile seguendo il concetto di overpressurizzazione delle porosità, come descritto nel modello di micro-fratturazione.