Development of the SCIANTIX code for Mixed Oxide Fuel

The transition toward Generation IV fast reactors requires a deep understanding of minor actinide-bearing mixed oxide (MOX) fuels. As part of the European TRANSPARANT project, this thesis extends the capabilities of the open-source mesoscale code SCIANTIX from conventional UO2 to advanced MOX fuel under fast reactor conditions. The code enhancement includes three core developments implemented in C++. First, the code was updated to incorporate macroscopic MOX properties, accounting for the plutonium fraction, specific isotopic vectors, and MOX thermo-mechanical laws. Second, a numerical solver based on the Kato model was developed to compute oxygen potential and partial pressures for matrix vaporization; this module was successfully verified via Python benchmarks and validated against experimental Knudsen Effusion Mass Spectrometry (KEMS) data. Finally, the code architecture was extended to track solid fission products by creating a dedicated class for five-element metallic precipitates (Mo-Ru-Rh-Tc-Pd) and coupling SCIANTIX with the thermodynamic solver OpenCalphad to simulate phase equilibria.

La transizione verso reattori veloci di IV Generazione richiede una profonda comprensione dei combustibili ad ossidi misti (MOX) contenenti attinidi minori. Nell'ambito del progetto europeo TRANSPARANT, questo lavoro di tesi estende le capacità del codice mesoscalico open-source SCIANTIX, passando dal convenzionale UO2 all'avanzato combustibile MOX in condizioni tipiche dei reattori veloci. L'estensione del codice comprende tre principali sviluppi implementati in C++. In primo luogo, il codice è stato aggiornato per incorporare le proprietà macroscopiche del MOX, tenendo conto della frazione di plutonio, di specifici vettori isotopici e delle relative leggi termo-meccaniche. In secondo luogo, è stato sviluppato un solutore numerico basato sul modello di Kato per calcolare il potenziale di ossigeno e le pressioni parziali per la vaporizzazione della matrice; questo modulo è stato verificato con successo tramite benchmark in Python e validato rispetto a dati sperimentali di spettrometria di massa a effusione di Knudsen (KEMS). Infine, l'architettura del codice è stata estesa per tracciare i prodotti di fissione solidi attraverso la creazione di una classe dedicata ai precipitati metallici a cinque elementi (Mo-Ru-Rh-Tc-Pd) e accoppiando SCIANTIX con il solutore termodinamico OpenCalphad per simulare gli equilibri di fase.