Thermo-mechanical analysis of a U-10Mo fueled micro modular reactor for lunar applications a simulation based study

The objective of this work is to develop and apply a thermo-mechanical model of uranium– molybdenum (U–10Mo) metallic fuel for heat-pipe-cooled Micro Modular Reactors (MMRs) intended for lunar surface applications. The growing interest in space-based nuclear power systems, driven by the need for reliable and continuous energy supply in extreme environments, motivates the development of predictive modeling tools capable of assessing fuel behavior under high-temperature and irradiation conditions. This study builds upon a previously proposed 200 kWt HALEU-fueled heat-pipe reactor concept and focuses on its thermo-mechanical feasibility. The thermo-physical and mechanical properties of U–10Mo are examined over the temperature range relevant to high-power-density operation, with particular emphasis on thermal expansion, elastic response, and irradiation-induced swelling. A coupled thermo-mechanical finite element model of the monolithic fuel block was developed in Abaqus, explicitly accounting for embedded heat-pipe channels. Material properties are implemented through experimentally based correlations, and swelling is modeled as an isotropic volumetric strain derived from local fission density reconstructed from non-uniform power distributions. The results indicate that, for burnup levels associated with long-term lunar operation, irradiation-induced swelling remains limited, while high operating temperatures dominate the mechanical response, potentially leading to excessive thermal stresses under constrained boundary conditions. Future developments should address the inclusion of creep, plasticity, and more detailed fuel–heat-pipe interactions to improve long-term structural predictions.

L’obiettivo di questo lavoro è sviluppare e applicare un modello termo-meccanico del combustibile metallico uranio–molibdeno (U–10Mo) per Micro Modular Reactor (MMR) raffreddati a heat pipe, destinati ad applicazioni sulla superficie lunare. Il crescente interesse verso l’applicazione di tecnologie nucleari in ambienti spaziali, guidato dalla necessità di garantire una fornitura energetica continua e affidabile in ambienti estremi, evidenzia l’importanza di strumenti di modellazione predittiva in grado di valutare il comportamento del combustibile in condizioni di alta temperatura e irraggiamento. Il lavoro si inserisce nel contesto di un concept di reattore raffreddato a heat pipe da 200 kWt alimentato ad HALEU, precedentemente proposto, e ne analizza la fattibilità termo-meccanica. Le proprietà termo-fisiche e meccaniche del combustibile U–10Mo sono esaminate nei range di temperatura rilevanti per il funzionamento alle densità di potenze desiderate, con particolare attenzione all’espansione termica, alla risposta elastica e allo swelling indotto dall’irraggiamento. È stato quindi sviluppato in Abaqus un modello agli elementi finiti termo-meccanicamente accoppiato del blocco di combustibile monolitico, che tiene esplicitamente conto della presenza dei canali delle heat pipe. Le proprietà dei materiali sono implementate tramite correlazioni basate su dati sperimentali, mentre lo swelling è modellato come una deformazione volumetrica isotropa derivata dalla densità di fissione locale, ricostruita a partire da distribuzioni di potenza non uniformi. I risultati indicano che, ai livelli di burnup associati a un funzionamento di lunga durata in ambiente lunare, lo swelling indotto dall’irraggiamento rimane limitato, mentre le elevate temperature operative dominano la risposta meccanica del core, conducendo a livelli di tensione potenzialmente eccessivi in configurazioni meccanicamente vincolate. Sviluppi futuri dovranno includere modelli di creep, plasticità e una rappresentazione più dettagliata dell’interazione termo-meccanica tra combustibile e heat pipe, al fine di migliorare la previsione del comportamento strutturale a lungo termine.