Preliminary neutronics and thermo-micro-mechanical analyses of nuclear fuel from AP1000 reactor

The generation of fission products within the nuclear fuel is one of the most delicate and important aspect of the reactor design. From a neutronic point of view, fission products are neutron poisons that reduce the re- activity of the fuel, made of uranium dioxide, while from the mechanical side, they can produce swelling or shrink of the material. Gaseous fission products are more studied, either because they are responsible of huge swellings of fuel’s skeleton, or can be released from the matrix. Scientific literature regarding solid fission products, instead, results less rich and mainly focuses on the techniques of extraction and partitioning for the recycle of spent fuel. The aim of this thesis is the analysis of the influence of the metallic solid fission products (in particular molybdenum, ruthenium, palladium, technetium and rhodium) on the pel- let’s mechanical behavior, exploiting a micro-mechanical model. The application of the model is subject to the knowledge of the uranium dioxide mechan- ical properties, that change with temperature increasing, and depends on the variation of volumes with time and radially due to the presence of solid fission products of interest . As preliminary steps and complementary to the micro-mechanics, a thermal analysis is performed to evaluate the temperature variation within the pellet and a neutronics anal- ysis is carried out, including fuel depletion during the first cycle of the reactor. In addition, also a brief study of the metal alloy formed by the five considered metallic inclusions is conducted. As a case study, a pellet of Westinghouse’s AP1000®is considered.

La generazione di prodotti di fissione all’interno del combustibile nucleare rappresenta una delle tematiche più delicate e importanti nella progettazione di un reattore. Da un punto di vista neutronico, i prodotti di fissione sono per lo più dei veleni che vanno a ridurre la reattività del combustibile, composto da ossido di uranio, mentre dal lato meccanico, creano sforzi dovuti a dilatazioni o contrazioni del materiale. I prodotti di fissione gassosi sono quelli maggiormente studiati, sia perché responsabili di enormi dilatazioni sullo scheletro solido del combustibile, sia perché possono venire rilasciati dalla matrice. La letteratura scientifica inerente ai prodotti di fissione solidi, invece, risulta meno ricca ed è focalizzata principalmente su tecniche di estrazione e partizionamento per il riciclo del combustibile esausto. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare l’influenza di alcuni prodotti di fissione solidi metallici (in particolare molibdeno, rutenio, palladio, rodio e tecnezio) sul comportamento meccanico di un pellet di combustibile, sfruttando una modellazione micro-meccanica. L’applicazione del modello è subordinata alla conoscenza delle proprietà meccaniche dell’UO2 , che si modificano all’aumentare della temperatura, e dipende dalla variazione dei volumi nel tempo e radialmente dovuta alla presenza di prodotti di fissione di interesse. Come passaggi preliminari e complementari alla micro-meccanica, viene svolta un’analisi termica, finalizzata alla valutazione della variazione di temperatura all’interno del pellet e un’analisi neutronica che include la deplezione del combustibile durante il primo ciclo del reattore. In aggiunta, viene svolto un breve studio sulla lega metallica formatasi a partire dalle cinque inclusioni prese ad esame. Come caso studio viene considerato il combustibile di un reattore AP1000®della West- inghouse.