Sciantix-based computational study of helium release in UO2: non-stoichiometric effects and single-crystal vs polycrystalline comparison

Fission gas release is a critical phenomenon that occurs both during reactor operation and in spent nuclear fuel. Among the fission gases, helium plays a significant role due to its continuous generation and subsequent release from the fuel matrix. The safe storage of spent fuel requires an understanding of the mechanisms governing helium behaviour. This work investigates helium desorption as a diffusion process, particularly focusing on non-stoichiometric uranium dioxide UO2, which commonly occurs in irradiated fuel, especially under hypo-stoichiometric conditions. Previous studies, such as those by Govers(2009) and Yakub(2010), have demonstrated that vacancies significantly enhance helium mobility. The Yakub model is adapted and modified in this study for implementation in the open-source fission gas release code SCIANTIX. While most models assume stoichiometric and polycrystalline fuel, real fuel behaviour is affected by both stoichiometry and crystallographic structure. This work accounts for both factors by incorporating non-stoichiometric diffusion effects and evaluating the differences in helium release between single-crystal and polycrystalline UO2. These differences are quantified and incorporated into a new SCIANTIX-based model, enabling more accurate predictions of helium desorption in single-crystal scenarios.

Il rilascio dei gas da fissione è un fenomeno critico che si verifica sia durante il funzionamento del reattore che nel combustibile nucleare esaurito. Tra i gas da fissione, l’elio riveste un ruolo significativo a causa della sua generazione continua e del successivo rilascio dalla matrice del combustibile. Lo stoccaggio sicuro del combustibile esaurito richiede una comprensione dei meccanismi che regolano il comportamento dell’elio. Questo lavoro studia la desorbimento dell’elio come un processo di diffusione, concentrandosi in particolare sul biossido di uranio non stechiometrico UO2, che si presenta comunemente nel combustibile irradiato, soprattutto in condizioni ipostechiometriche. Studi precedenti, come quelli di Govers(2009) e Yakub(2010), hanno dimostrato che le vacanze reticolari aumentano significativamente la mobilità dell’elio. Il modello di Yakub viene adattato e modificato in questo studio per essere implementato nel codice open-source SCIANTIX per il rilascio dei gas da fissione. Mentre la maggior parte dei modelli assume un combustibile stechiometrico e policristallino, il comportamento reale del combustibile è influenzato sia dalla stechiometria che dalla struttura cristallografica. Questo lavoro tiene conto di entrambi i fattori, incorporando gli effetti diffusivi non stechiometrici e valutando le differenze nel rilascio di elio tra UO2 monocristallino e policristallino. Tali differenze vengono quantificate e incorporate in un nuovo modello basato su SCIANTIX, permettendo previsioni più accurate del processo di desorbimento dell’elio in scenari monocristallini.