تحليل افت رسانندگي گرمايي سوخت پرتو ديده‌ي UO2 به دليل توليد تخلخل در ميزان مصرف بالاي سوخت

Analysis of Thermal Conductivity Degradation in Irradiated UO2 Fuel Due to Porosity Formation at High Burnup

يكي از عامل‌هاي تغيير رسانندگي گرمايي سوخت UO2، تخلخل به وجود آمده در سوخت حين افزايش ميزان مصرف سوخت است. در ميزان مصرف‌هاي بالاي سوخت، ساختاري موسوم به ناحيه‌ي لبه (rim) كه ناشي از فرايند تهي شدن شبكه‌ي‌ سوخت از گاز زنون، توليد تخلخل و باز تبلور دانه‌هاي سوخت است، به وجود مي‌آيد كه به نوبه‌ي خود رسانندگي گرمايي سوخت را دست خوش تغيير مي‌كند. در اين مقاله با استفاده از يك مدل تورم شبكه‌ي سوخت ناشي از گاز شكافت كه در محدوده‌ي دما- پايين و ميزان مصرف بالاي سوخت معتبر است و نيز با در نظر گرفتن اثر باز تبلور ناشي از تابش‌دهي سوخت UO2، تورم شبكه‌ي سوخت محاسبه مي‌شود و مقدار تخلخل كل تا ميزان مصرف سوخت MWd/kgU 120 تعيين مي‌شود. براي مطالعه‌ي اثر شكل‌گيري تخلخل بر روي رسانندگي گرمايي سوخت UO2 تابش ديده، رابطه‌ي تجربي رسانندگي گرمايي هالدِن انتخاب شده است كه با يك ضريب تصحيح تخلخل پيشنهاد شده، تركيب مي‌شود. اين ضريب تخلخل براساس ريخت‌شناسي سه فازي سوخت تابش‌ديده توسعه مي‌يابد، كه شامل تخلخل‌هاي بدون سهم در تورم شبكه‌ي سوخت و تخلخل‌هاي درشت ناشي از حباب‌هاي مرزدانه‌اي سهيم در تورم شبكه‌ي سوخت است و فرض مي‌شود به صورت يكنواخت در ماده‌ي سوخت چگال، متشكل از شبكه‌ي سوخت UO2 و محصول‌هاي جامد شكافت پراكنده شده باشد. با در نظر گرفتن تحول تخلخل با مصرف سوخت، كاهشي در حدود %25 در رسانندگي گرمايي سوخت UO2 در محدوده‌ي ميزان مصرف سوخت موضعي MWd/kgU 120 مشاهده مي‌شود كه افزايش موضعي دماي سوخت را در بر خواهد داشت.

One of the factors that changes the UO2 fuel thermal conductivity is the generated porosity in the fuel due to increasing burnup. At high burnups, the structure known as rim region, is created. This is due to the Xe depletion process from the fuel matrix, porosity formation, and fuel grain recrystallization, which in turn change the fuel thermal conductivity. In this paper by the use of existing low temperature high burnup fission gaseous swelling model with the progressive recrystallization for UO2 fuel, the matrix swelling terms are calculated and the evolution of the total volume porosity up to burnup of 120 MWd/kgU is estimated. For the study the effect of porosity formation on the irradiated UO2 thermal conductivity, the HALDEN correlation of the thermal conductivity is selected. Then, a porosity correction factor is developed based on an assumption that the fuel morphology is a three-phase type consisting of the pores, with no contribution to the matrix swelling and large pores due to intergranular bubbles with the contribution to matrix swelling dispersed in the fully dense material, composed of UO2 matrix and solid fission products. The predicted thermal conductivity, based on the present porosity correction factor, demonstrates an additional degradation of 25% due to porosity formation at the burnup levels around 120 MWd/kgU causing an increase in the fuel temperature.