Extension of fuel performance simulation tools for innovative materials: TRISO and metallic fuel

In the context of nuclear reactor safety, thermo-mechanical fuel performance codes have a key role. Nowadays, these codes are able to simulate various types of fuel, amongst which metallic, oxide and TRISO ones. The development of IV generation reactors, in particular sodium-cooled fast reactors and high temperature gas-cooled reactors gives a motivation for the further development of the capability of these codes to simulate fuel like TRISO and metallic fuel. TRISO fuel consists of a kernel sphere surrounded by protective layers to ensure a non-profileration standard. The spheres are then collected in fuel pebbles or compacts and employed in gas-cooled reactors. Metallic alloys fuels are widely used in sodium fast reactors to exploit their high conductivity and density. This master's thesis focuses on the extension of SCIANTIX and OFFBEAT, two codes developed by the "Nuclear reactor group" at Politecnico di Milano and by the "Laboratory for reactor physics and systems behaviors" at EPFL in collaboration with the Paul Scherrer Institute, respectively. Both codes are object-oriented: SCIANTIX is a 0-D code aimed at simulating the fission gas behavior, while OFFBEAT is a 3-D high-fidelity code mainly focused on the thermo-mechanics. The extension regards the implementation of a diffusion model to monitor the concentration of the gaseous fission products in TRISO fuel for what concerns SCIANTIX, and the benchmarking of a steady-state simulation of a metallic fuel pin performed by SAS4A, a code developed by Argonne National Laboratory, for what concerns OFFBEAT. The diffusion model has been successfully implemented, laying the foundation for future validation against experimental data. Benchmarking has made significant progress, paving the way for further developments.

Nel contesto della sicurezza dei reattori nucleari, i codici di simulazione termo-meccanica del combustibile svolgono un ruolo chiave. Attualmente, questi codici sono in grado di simulare diversi tipi di combustibile, tra cui quelli metallici, ossidi e TRISO. Lo sviluppo dei reattori di IV generazione, in particolare i reattori veloci raffreddati a sodio e i reattori ad alta temperatura raffreddati a gas, motiva l'ulteriore sviluppo delle capacità di questi codici per simulare combustibili come il TRISO e i combustibili metallici. Il combustibile TRISO è costituito da una sfera di kernel circondata da strati protettivi per garantire uno standard di non proliferazione. Le sfere vengono poi raccolte in elementi sferici o cilindrici di combustibile ed impiegate nei reattori raffreddati a gas. I combustibili metallici sono ampiamente utilizzati nei reattori veloci a sodio per sfruttare la loro elevata conducibilità e densità. Questa tesi di laurea magistrale si concentra sull'estensione di SCIANTIX e OFFBEAT, due codici sviluppati rispettivamente dal "Nuclear Reactor Group" del Politecnico di Milano e dal "Laboratory for Reactor Physics and Systems Behaviors" dell'EPFL in collaborazione con il Paul Scherrer Institute. Entrambi i codici sono orientati a oggetti: SCIANTIX è un codice 0-D finalizzato alla simulazione del comportamento dei gas di fissione, mentre OFFBEAT è un codice 3-D ad alta fedeltà focalizzato principalmente sulla termo-meccanica. L'estensione riguarda l'implementazione di un modello di diffusione per monitorare la concentrazione dei prodotti di fissione gassosi nel combustibile TRISO per quanto riguarda SCIANTIX, e il benchmarking di una simulazione stazionaria di una barra di combustibile metallico eseguita con SAS4A, un codice sviluppato dall'Argonne National Laboratory, per quanto riguarda OFFBEAT. Il modello di diffusione è stato implementato con successo, gettando le basi per una futura validazione con dati sperimentali. Il benchmarking ha raggiunto un punto avanzato, aprendo la strada a ulteriori sviluppi.