Compatibilità chimica in reattori di 4. generazione : studio preliminare tramite metodi ab-initio di composti pb-an

This work belongs to a series of studies related to the development of Generation IV reactors and to the assessment of their degree of security. In particular, it is a contribution to the evaluation of generation IV lead-cooled, fast reactors as viable option for the future from the point of view of safety. A key aspect about this assessment is the chemical compatibility between the fuel and lead coolant. In fact, the difficulty in obtaining experimental data on the interactions Actinides-Lead hampers the ability to make precise assessment of the effects of the gradual formation of Pu-U-O-Pb compounds upon contact between oxides of Uranium and Plutonium and Lead. The possible formation of these compounds can influence the behaviour of the reactor. Likewise, the knowledge of such phenomena helps predicting the evolution of an incident whatever its severity. It is therefore necessary to fill this gap of knowledge about chemical interaction between lead and nuclear fuel. This paper aims to explore the possibility of obtaining, by means of ab-initio methods, the unknown thermodynamic quantities of compounds An-Pb. Those quantities are necessary to try to establish their possible existence in conditions of interest for the operation of the reactor. A computational approach of simulation (based on the code Gaussian 09) has been proposed for deriving magnitudes of physical quantities such as the entropy, heat capacity and the Gibbs free energy of those compounds. First, the approach was validated through the study of oxides of actinides (U and Pu) and the comparison with experimental data available in the literature. Subsequently, the method was applied to the possible compounds between An and Pb, to calculate the same thermodynamic quantities of interest in the gas phase. The results are preliminary but hint at the potential of the approach outlined and suggest how these methods can be useful tools to overcome the lack of experimental data in a field as complex as the nuclear one. Finally, some aspects that may be subject to future developments are presented.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito degli studi dedicati allo sviluppo dei reattori di quarta generazione ed alla valutazione del loro grado di sicurezza. In particolare vuole essere un contributo alla valutazione dei reattori veloci refrigerati a piombo di IV generazione quale opzione praticabile per il futuro dal punto di vista della sicurezza. Un aspetto fondamentale riguardo a tale valutazione è rappresentato dalla compatibilità chimica tra il combustibile e il piombo refrigerante. La difficoltà nel reperire dati sperimentali sulle interazioni Attinidi-Piombo impedisce di fare una valutazione puntuale degli effetti della progressiva formazione di composti Pu-U-O-Pb in seguito al contatto tra ossidi di uranio e plutonio e piombo. L’eventuale formazione di tali composti può influenzare il comportamento del reattore; parimenti, la conoscenza di tali fenomeni aiuta a prevedere/conoscere l’evoluzione di un evento incidentale qualunque sia la sua gravità. A tal fine risulta necessario colmare un gap/vuoto di conoscenze relative all’interazione chimica tra piombo e combustibile nucleare. Il presente lavoro si propone di vagliare la possibilità di ricavare, tramite metodi ab-initio e per composti ignoti An-Pb, le grandezze termodinamiche necessarie per studiare/stabilire la loro possibile formazione ed esistenza in condizioni di interesse per il funzionamento del reattore. A tal fine è stato proposto un approccio computazionale di simulazione (basato sul codice Gaussian 09) per ricavare grandezze quali l’entropia, il calore specifico e l’energia libera di Gibbs di composti ignoti. L’approccio è stato validato attraverso lo studio di ossidi di Attinidi (di U e Pu) e la comparazione con dati sperimentali disponibili in letteratura. Successivamente, tale metodica è stata applicata ai possibili composti tra An e Pb , per calcolare le medesime grandezze termodinamiche di interesse in fase gas, e valutare i contributi alla solubilità degli attinidi di interesse nel piombo. I risultati ottenuti hanno carattere preliminare ma lasciano intuire le potenzialità dell’approccio delineato e suggeriscono come questi metodi possano essere strumenti utili per sopperire alla mancanza di dati sperimentali in un ambito così complesso come quello nucleare. Sono presentati infine alcuni aspetti che potranno essere oggetto di sviluppi futuri.