Extension of the predictive capabilities of nuclear fuel performance codes to advanced technology fuels
Authors:   , Aragón Grabiel Pau 
Published: October 2024

Nuclear fuel is the result of a long optimization process aimed at improving its performance and reliability under reactor conditions. This pursuit of excellence in fuel behaviour also extends to research on accident conditions, which has gained significant momentum since the Fukushima Daiichi accident in 2011, resulting in the consolidation of advanced technology fuel (ATF) development.

ATFs are designed to maintain or enhance fuel performance during normal operating conditions while providing an improved response to some of the scenarios described by anticipated operational occurrences, design basis accidents, and design extension conditions. Among the challenges posed by ATFs is the demonstration of their safe behaviour in such scenarios. Therefore, the development of fuel performance modelling capabilities becomes paramount.

The ultimate goal of this thesis is to contribute to the development of reliable predictive tools for assessing the thermo-mechanical behaviour of ATFs, specifically Cr-doped UO2, FeCrAl cladding, and Cr-coated Zircaloy cladding. The fuel performance codes (FPCs) FRAPCON-4.0 and FRAPTRAN-2.0 serve as the foundation for the developments outlined in this thesis, as their original versions are limited to modelling UO2 and MOX fuel, along with Zr-based cladding.

The chapters of this thesis are structured around specific objectives that represent the necessary steps toward achieving its ultimate goal. These steps include: (i) building a material property database of models and correlations sourced from the open literature, (ii) developing and improving models and correlations from the data compiled in the material property database, (iii) implementing the resulting models and correlations into the baseline FPCs, and (iv) verifying and validating the extended codes. Additionally, these codes have been coupled with the statistical tool DAKOTA and integrated into a best-estimate plus uncertainty fuel safety evaluation methodology, which has been applied to assess ATF cladding performance under two postulated loss-of-coolant accident (LOCA) scenarios.

The baseline FPC have been extended for ATF simulation. Specifically, FRAPCON-4.0 now includes simulation capabilities for Cr-doped UO2 and FeCrAl cladding, while FRAPTRAN-2.0 has been extended to simulate FeCrAl and Cr-coated Zircaloy cladding. The latter task required the development of TUmech, a standalone version of the TRANSURANUS mechanical model with additional simplifications to focus on the cladding response to LOCA conditions. The FRAPTRAN-TUmech coupling enabled independent modelling of the coating and cladding substrate, a capability not offered by the original mechanical model in FRAPTRAN-2.0.

After extending the baseline FPC, the next step involves code verification and validation. However, integral effects test data were only available for Cr-doped UO2 under normal operating and power ramp conditions. Consequently, only the extension of FRAPCON-4.0 to Cr-doped UO2 has undergone data-code comparison. Due to the lack of integral effects test data for FeCrAl and Cr-coated Zircaloy, the extension of FRAPTRAN-2.0 for these ATF cladding materials could only be verified, not validated. In this task, emphasis was placed on comparing their behaviour to conventional Zircaloy to qualitatively demonstrate the consistency of the predictions under LOCA conditions.

Despite the extent, robustness, and significance of the contributions this thesis has made to the development of predictive tools for ATFs, key areas still need to be addressed. Of particular relevance is the validation of FRAPTRAN-2.0 and FRAPTRAN-TUmech.

Regarding recommendations, it is crucial to emphasize the imperative need for representative experimental data, including measurements on irradiated material under test conditions extending beyond the current safety criteria, as these may change for ATFs.

RESUMEN

El combustible nuclear es el resultado de un largo proceso de optimización destinado a mejorar su rendimiento y fiabilidad bajo las condiciones en reactor. Esta búsqueda de la excelencia también se extiende a la investigación en condiciones de accidente, que ha experimentado un impulso significativo tras el accidente de Fukushima Daiichi, resultando en la consolidación de los combustibles de tecnología avanzada (ATFs).

Los ATFs están diseñados para mantener o mejorar el rendimiento del combustible en condiciones normales de operación, al mismo tiempo que ofrecen una respuesta mejorada ante algunos de los escenarios descritos por sucesos operativos previstos, accidentes base de diseño y condiciones de extensión de diseño. Entre los desafíos planteados por los ATFs está la demostración de su comportamiento seguro en tales escenarios. En este contexto, el desarrollo de capacidades de modelado es esencial.

El objetivo de esta tesis es contribuir al desarrollo de herramientas predictivas fiables para evaluar el comportamiento termo-mecánico de los ATFs, en particular, UO2 dopado con Cr, vaina de FeCrAl y vaina de Zircaloy recubierta con Cr. Los códigos termo-mecánicos (FPC) FRAPCON-4.0 y FRAPTRAN-2.0 sirven como base para los desarrollos presentados, ya que sus versiones originales están limitadas al modelado de UO2 y MOX, junto con vainas basadas en Zr.

Los capítulos de esta tesis están estructurados en torno a los pasos necesarios para alcanzar su fin último. Estos pasos incluyen: (i) construir una base de datos de modelos y correlaciones obtenidos de la literatura abierta, (ii) desarrollar y mejorar modelos y correlaciones a partir de la información compilada, (iii) implementar los modelos y correlaciones resultantes en los FPC de referencia, y (iv) verificar y validar los códigos extendidos. Además, estos códigos se han acoplado con la herramienta estadística DAKOTA e integrado en una metodología de cálculo realista con incertidumbre, la cual se ha aplicado para evaluar el comportamiento de la vaina ATF bajo accidentes de pérdida de refrigerante (LOCA). Los FPC de referencia se han extendido para la simulación de ATFs. FRAPCON-4.0 ahora incluye capacidades de simulación para UO2 dopado con Cr y vaina de FeCrAl, mientras que FRAPTRAN-2.0 se ha extendido para simular vainas de FeCrAl y Zircaloy recubierto con Cr. Esta última tarea requirió el desarrollo de TUmech, una versión independiente del modelo mecánico de TRANSURANUS con simplificaciones adicionales para centrarse en la respuesta de la vaina ante condiciones LOCA. El acoplamiento FRAPTRAN-TUmech permitió el modelado independiente del recubrimiento y el sustrato de la vaina, una capacidad no ofrecida por el modelo mecánico de FRAPTRAN-2.0. El siguiente paso tras extender los FPC de referencia implica su verificación y validación. Sin embargo, solo se disponía de datos de ensayos de efectos integrales para UO2 dopado bajo condiciones de operación normal y rampas de potencia. En consecuencia, solo la extensión de FRAPCON-4.0 para UO2 dopado ha sido sometida a validación. Debido a la falta de datos de ensayos de efectos integrales para FeCrAl y Zircaloy recubierto con Cr, la extensión de FRAPTRAN-2.0 para estos materiales solo pudo ser verificada. Esta verificación ha consistido en comparar su comportamiento con el de la vaina convencional para demostrar cualitativamente la consistencia de las predicciones bajo condiciones LOCA.

A pesar de la extensión, robustez y relevancia de las contribuciones que esta tesis ha hecho al desarrollo de códigos termo-mecánicos para ATFs, aún quedan áreas clave por abordar. De particular relevancia es la validación de FRAPTRAN-2.0 y FRAPTRAN-TUmech.

En cuanto a recomendaciones, es crucial destacar la necesidad de datos experimentales representativos, incluyendo mediciones de materiales irradiados en condiciones que se extiendan más allá de los criterios de seguridad actuales, dado que estos podrían cambiar para los ATFs.