Physics-based modeling of high burnup structure porosity in UO2 fuel: implementation and validation in SCIANTIX

Under high burnup conditions (local burnup > 50 MWd/kgU ) and temperatures below 1000°C, nuclear fuel undergoes restructuring that leads to the formation of the high burnup structure, characterized by sub-micron grains and inter-granular porosity. These changes significantly affect fuel thermo-mechanical behavior and must be accurately modeled to ensure safety, particularly as higher burnup targets are pursued for economic and operational benefits. This thesis presents a physics-based model for the evolution of inter-granular porosity in the restructured region, developed to improve current modeling tools. The model is developed in the SCIANTIX 2.0 code, a 0-D meso-scale open-source code designed to be coupled with fuel performance codes, and retains its original treatment of high burnup structure formation and pore coalescence. Key advancements include the introduction of vacancy absorption, fission gas sweeping from the non-restructured matrix to the restructured one and a consistent coupling between intra-granular and grain boundary gas behavior. The model has been calibrated and validated through separate-effect simulations against both experimental data and reference models. Results show improved agreement with experimental data, especially at burnups above 100 MWd/kgU, where benchmark models often diverge. The new formulation enables a more rigorous and physically consistent estimation of porosity, free from arbitrary thresholds or empirical fits. Overall, the model provides a robust framework for simulating porosity evolution in oxide fuels and lays the foundation for future integration into multiscale simulations.

In condizioni di alto bruciamento (> 50 MWd/kgU) e temperature inferiori a 1000°C, il combustibile nucleare subisce una ristrutturazione microstrutturale che porta alla formazione della struttura ad alto bruciamento, caratterizzata da grani sub-micrometrici e porosità inter-granulare. Questi cambiamenti influenzano in modo significativo il comportamento termo-meccanico del combustibile e devono essere modellati accuratamente per garantire la sicurezza del funzionamento del reattore, soprattutto in vista di un aumento degli obiettivi di bruciamento motivato da vantaggi economici e operativi. Questa tesi presenta un modello basato sulla fisica per l’evoluzione della porosità inter-granulare nella regione ristrutturata, sviluppato con l’obiettivo di migliorare gli attuali strumenti di simulazione. Il modello si basa su SCIANTIX 2.0, un codice di mesoscala 0-D che può essere integrato nei codici di prestazione del combustibile, e mantiene il trattamento originale della formazione della struttura ad alto bruciamento e del processo di coalescenza dei pori. Tra i principali sviluppi introdotti vi sono: l’assorbimento di vacanze, il trasferimento di gas di fissione dalla matrice non ristrutturata a quella ristrutturata e un accoppiamento coerente tra il comportamento del gas intra-granulare e quello ai bordi grano. Il modello è stato calibrato e validato tramite validazione a effetto separato, confrontandosi sia con dati sperimentali sia con modelli di riferimento. I risultati mostrano un miglior accordo con i dati sperimentali, specialmente a valori di bruciamento maggiori di 100 MWd/kgU, dove i modelli di riferimento tendono a divergere. La nuova formulazione consente una stima della porosità più rigorosa e coerente con i principi fisici, priva di soglie arbitrarie o interpolazioni empiriche. In sintesi, il modello offre un quadro solido per la simulazione dell’evoluzione della porosità nei combustibili ossidi e pone le basi per una futura integrazione in simulazioni multiscala.