Interazione tra combustibile e termovettore in sistemi LFR di 4. generazione : stima di grandezze termodinamiche tramite metodi semi-empirici

The generation IV nuclear reactors are very interesting because they present a significant improvement about nuclear safety, reduction of nuclear waste production, nuclear proliferation resistance, minimize waste and natural resources, and the reduction of plant construction and operating costs. LFRs (Lead-cooled Fast Reactor) fall in this category. Many features and phenomena of LFRs are now being studied. Knowledge of lead-fuel chemistry is of primary importance in order to consequences and necessary measures in case of failure and interaction between lead, uranium and plutonium oxides and fission products. This scenario is a peculiarity of LFRs and scientific literature about this topic is quite poor. Many methods (computational or experimental) exist in order to investigate this subject, but the computational and economic cost can be a problem. In this thesis, a semi-empirical method is used in order to calculate enthalpy of formation of binary and intermetallic compounds and enthalpy of solution of many metals in molten lead. Furthermore, an extension of the model to the elements of group 16 is used to calculate enthalpy of formation of oxides. Lastly, several modifications to the model are used for ternary systems. Results compared with available experimental data are generally quite accurate.

I reattori di IV generazione sono di grande interesse in quanto presentano un notevole miglioramento per quanto riguarda la sicurezza nucleare, la riduzione della produzione di scorie, la resistenza alla proliferazione nucleare, la minimizzazione di sprechi e risorse naturali e la diminuzione dei costi di costruzione e di esercizio degli impianti. I reattori LFR (Lead-cooled Fast Reactor) si collocano all’interno di questa categoria. Molti aspetti e fenomeni che caratterizzano gli LFR sono ad oggi in fase di studio. Conoscere la chimica del sistema piombo-combustibile è dunque di fondamentale importanza al fine di prevedere le conseguenze e le misure da adottare in caso di guasto e conseguente interazione tra piombo, ossidi di uranio e plutonio e prodotti di fissione. Questo scenario è una peculiarità degli LFR e la letteratura scientifica in proposito è piuttosto scarsa. Esistono diversi metodi (sperimentali e computazionali) per approcciarsi a questo studio e il costo (economico e computazionale) può rappresentare un problema di difficile soluzione. In questa tesi viene utilizzato un metodo semi empirico, leggero dal punto di vista computazionale, per la determinazione dell’entalpia di formazione di intermetallici binari a base di piombo e per la determinazione dell’entalpia di soluzione di metalli nel piombo fuso. Viene inoltre utilizzata un’estensione del modello al gruppo calcogeno per la determinazione dell’entalpia di formazione degli ossidi. Infine si utilizzano diverse modifiche del metodo per i composti ternari. I risultati ottenuti, confrontati con i dati sperimentali disponibili in letteratura, sono in generale piuttosto accurati.