Effects of additives on uranium dioxide fuel behavior

DSpace Repository

Effects of additives on uranium dioxide fuel behavior

Show full item record

Files for download

Facebook

Simple item record

Publication Report
Title Effects of additives on uranium dioxide fuel behavior
Author(s) Massih, Ali
Date 2014
English abstract
The main incentive to dope UO2 fuel with a small amount of metal oxides, such as Cr2O3 is to enlarge fuel grain size, increase fuel density and possibly make softer fuel pellets. Enlarging fuel grain size ( > 30 µm) will extend the diffusion path for fission product gases to grain boundaries, through which most of the gas is released from fuel pellet. Hence, the outcome would be a delay in thermal-activated gas release at a given fuel temperature. Increasing fuel density puts more U-235 mass per fuel assembly, while leading to less fuel densification during irradiation. Softer pellets, i.e. fuel with a higher creep rate and/or lower yield strength can reduce the intensity of pellet-cladding mechanical interaction during reactor power ramps, alleviating the risk of cladding failure. Additives may also affect the thermophysical properties of UO2 fuel, such as heat capacity, thermal expansion and thermal conductivity. However, experimental data and theoretical analysis indicate that if the concentration of the additive is low (e.g. for Cr2O3 dopant < 0.2 wt%), these properties are hardly affected. The aim of this report is to assess data and models for some important properties of UO2- base fuel containing additives. The additives considered are those investigated and reported in the literature. The main additive discussed here is Cr2O3, but also we include Al2O3, MgO and Nb2O5. Appropriate models for thermophysical properties are assessed and recommended for M2O3-type (M: metal) additives and even for MgO-doped UO2. Fission gas diffusivity data and correlations are assessed and used in a standard model for fission gas release and gaseous swelling to evaluate these quantities. Moreover, the effects of grain size on gas release and swelling are assessed. Available data and correlations for thermal creep of Nb2O5- and Cr2O3-doped fuels are evaluated critically, and possible creep mechanisms are delineated. The results of some in-reactor irradiation programs, ramp tests and transients on additive fuel are briefly reviewed. The report also intends to provide a basis for model implementation in a fuel rod performance code.
Swedish abstract
De främsta skälen till att tillföra små mängder av metalloxider, som exempelvis Cr2O3, till kärnbränsle av UO2 är att öka materialets kornstorlek och densitet, samt om möjligt göra bränslekutsarna mjukare. En ökning av bränslets kornstorlek ( > 30 µm) ökar diffusionslängden för gasformiga fissionsprodukter till materialets korngränser, genom vilka den största delen gas avges från bränslekutsen. Resultatet torde vara en fördröjning av termiskt aktiverad gasavgivning från bränslet vid en given temperatur. En ökning av bränslets densitet ger större mängd U-235 per bränsleknippe och leder till mindre bränsleförtätning under bestrålning. Mjukare kutsar, det vill säga bränsle med en högre kryptöjningshastighet och/eller lägre sträckgräns, kan mildra mekanisk växelverkan mellan kuts och kapsling under effekthöjningar (ramper) vid reaktordrift, vilket skulle minska risken för kapslingsbrott. Tillsatser kan också påverka UO2-bränslets termofysikaliska egenskaper, såsom värmekapacitet, termisk längdutvidgning och värmeledningsförmåga. Experimentella data och teoretisk analys antyder emellertid att om koncentrationen av tillsatserna är låg (t.ex. < 0.2 viktprocent av tillsatsämnet Cr2O3), så påverkas dessa egenskaper endast marginellt. Målet med denna rapport är att utvärdera data och modeller för viktiga egenskaper hos UO2-baserat bränsle innehållande tillsatser. Tillsatserna som beaktas är de för vilka studier finns rapporterade i öppen litteratur. Huvudakligen diskuteras Cr2O3, men vi inkluderar även Al2O3,MgO och Nb2O5. Lämpliga modeller för termofysikaliska egenskaper utvärderas och rekommenderas för UO2-bränsle med tillsatser av typen M2O3 (M: metall), men även för MgO-dopad UO2. Data och korrelationer för diffusivitet hos fissionsgas i UO2 med nämnda tillsatsämnen analyseras och används i en standardmodell för fissionsgasavgivning och gassvällning, i syfte att utvärdera dessa egenskaper och hur de påverkas av tillsatsämnena. Även inverkan av bränslets kornstorlek på gasavgivning och svällning utvärderas. Tillgängliga data och korrelationer för termiskt kryp i Nb2O5- och Cr2O3-dopat bränsle utvärderas kritiskt, och möjliga krypmekanismer beskrivs. Resultat från utvalda reaktorbestrålningsprogram, rampprov och transienter på bränsle med tillsatser granskas översiktligt. Rapporten avses tjäna som underlag för implementering av modeller i beräkningsprogram för bränsle-stavanalys.
Link http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/Publikationer/Rapport/Sakerhat-vid-karnkraftverken/2014/201421/ (external link to publication)
Publisher Strålsäkerhetsmyndigheten (SSM)
Series/Issue SSM;2014:21
ISSN 2000-0456
Pages 72
Language eng (iso)
Subject(s) Sciences
Research Subject Categories::NATURAL SCIENCES
Research Subject Categories::TECHNOLOGY
Handle http://hdl.handle.net/2043/17237 (link to this page)

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search


Browse

My Account

Statistics