Modelling of actinide redistribution: analysis and development of the TRANSURANUS code

This thesis examines the redistribution of actinides in nuclear fuel during in-reactor irradiation and its modelling within the TRANSURANUS fuel performance code. After a review of the literature on the physics of fuel restructuring and actinide migration, the treatment of redistribution in TRANSURANUS is presented. The organisation and behaviour of the routines governing plutonium, americium, and uranium redistribution are analysed in detail. Their verification is performed, highlighting current critical issues and proposing potential improvements. In particular, limitations associated with the solution scheme of the transport equation are identified, including numerical oscillations, violations of mass conservation and a single-step linearisation. An alternative formulation of the solution scheme, currently under development, is then described. The new formulation incorporates boundary conditions consistent with mass conservation, modified closure relations and an iterative linearisation, with the aim of studying numerical stability and possibly improving computational efficiency. The results illustrate the present capabilities and limitations of the redistribution models in TRANSURANUS and outline possible directions for developments to enhance future versions of the code.

Questa tesi esamina la redistribuzione degli attinidi nel combustibile nucleare durante l’irraggiamento nel reattore e la sua modellazione all’interno del codice di fuel performance TRANSURANUS. Dopo una rassegna della letteratura sulla fisica della ristrutturazione del combustibile e della migrazione degli attinidi, viene presentato il trattamento della redistribuzione in TRANSURANUS. L’organizzazione e il comportamento delle routine che governano la redistribuzione di plutonio, americio e uranio sono analizzati nel dettaglio. Viene quindi effettuata la loro verifica, mettendo in evidenza le criticità attuali e proponendo possibili miglioramenti. In particolare, si individuano delle limitazioni associate allo schema di soluzione dell’equazione di trasporto: oscillazioni numeriche, violazione della conservazione della massa e una linearizzazione a singolo passo. Viene quindi descritta una formulazione alternativa dello schema di soluzione, attualmente in fase di sviluppo. La nuova formulazione utilizza condizioni al contorno coerenti con la conservazione della massa, equazioni di chiusura modificate e una linearizzazione iterativa, con l’obiettivo di studiare la stabilità numerica e possibilmente migliorare l’efficienza computazionale. I risultati illustrano le attuali capacità e limitazioni dei modelli di redistribuzione in TRANSURANUS e delineano possibili direzioni per sviluppi futuri al fine di migliorare le prossime versioni del codice.