Thermochemical and thermomechanical modeling of nuclear fuel

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Henri Loukusa

Organisaatiot

Kuvaus

Ydinpolttoaineen materiaaliominaisuuksissa ja koostumuksessa tapahtuu erilaisia muutoksia säteilytyksen aikana. Tavallinen kevytvesireaktorin polttoaine koostuu keraamisista uraanidioksidipelleteistä zirkoniummetalliseoksesta tehdyn suojakuoriputken sisällä. Kun aktinidiatomit fissioituvat, polttoainepellettien alkuainekoostumus muuttuu fissiotuotteiden syntyessä, säteilyvaurioita kertyy ja pelletit paisuvat fissiotuotteiden kertymisen johdosta. Myös suojakuoressa kertyy säteilyvaurioita ja suojakuori muuttaa muotoaan johtuen suojakuoren sisä- ja ulkopuolen välillä olevasta paine-erosta ja mekaanisesta vuorovaikutuksesta pelletin kanssa. Pellettien alkuainekoostumuksen vaikutuksia niiden kemialliseen käyttäytymiseen tutkitaan tässä väitöskirjassa termokemiallisesti Gibbsin energian minimoinnin avulla. Erityistä huomiota annetaan pellettien happipotentiaalille, sillä happipotentiaali kertoo yleisluonteisesti polttoaineen hapetustilasta ja on suhteellisen helposti määritettävissä kokeellisesti. Väitöskirjassa laskettuja happipotentiaaliennusteita kelpoistetaan vertaamalla niitä kirjallisuudesta löytyviin kokeellisesti määritettyihin happipotentiaaleihin tuoreelle ja säteilytetylle polttoaineelle. Lisäksi tarkastellaan syövyttävien kaasujen vapautumista pelletistä, sillä niillä voi olla vaikutusta suojakuoressa tapahtuvaan säröytymiseen. FINIX-polttoainemalli on kehitetty VTT:llä polttoainemalliksi monifysiikkasovelluksiin, ja tässä väitöskirjassa sen termomekaanista mallinnuskykyä on parannettu. Parannusten jälkeen mallilla on mahdollista mallintaa entistä tarkemmin pitkiä säteilytysjaksoja. Useita malleja ilmiöistä, joita polttoaineessa tapahtuu pitkien säteilytysjaksojen aikana, on puuttunut FINIX-mallista, mutta näitä malleja on toteutettu FINIX-malliin lämpötilaennusteiden tarkentamiseksi osana tätä väitöskirjaa. Lopputuloksena nämä ennusteet ovat tarkentuneet huomattavasti. Lisäksi väitöskirjassa on kehitetty epävarmuusanalyysimenetelmä fissiokaasujen vapautumisosuuden laskennalle ENIGMA-polttoainekoodilla. Fissiokaasujen vapautumisosuuden voidaan sanoa olevan verrannollinen tiettyjen radionuklidien niin sanottuun välittömään vapautumisosuuteen, jota käytetään loppusijoituslaitoksen turvallisuusanalyyseissä. Välitön vapautumisosuus kertoo sen osuuden radionuklideista jotka liukenevat suhteellisen välittömästi niiden tullessa kosketuksiin pohjaveden kanssa loppusijoituskapselin rikkouduttua. Arviolla fissiokaasujen vapautumisosuuden epävarmuudesta voidaan arvioida tarkemmin välittömän vapautumisosuuden epävarmuutta.

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
  • Tuomisto, Filip, Valvoja
  • Tulkki, Ville, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Ikonen, Timo, Ohjaaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8942-3
Sähköinen ISBN978-952-60-8943-0
TilaJulkaistu - 2020
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • ydinpolttoaineen käyttäytyminen, termokemia, termomekaniikka, epävarmuusanalyysi

ID: 41318209