Modelo de Densificación de Pastillas Combustibles bajo Irradiación

Abstract

Una vez finalizado el proceso de fabricación de pastillas combustibles, la microestructura mantiene una cierta porosidad. Durante la irradiación se producen dos fenómenos contrapuestos que afectan la estabilidad dimensional del combustible: densificación e hinchamiento. La densificación es la contracción que sufren los poros de fabricación durante las primeras horas de irradiación, mientras que el hinchamiento ocurre principalmente debido a los gases de fisión que se liberan y acumulan tanto en las nuevas burbujas que se nuclean como en ciertos poros de fabricación durante todo el quemado del combustible. Los cambios dimensionales que se generan pueden dar lugar a contacto localizado entre la pastilla y la vaina y, eventualmente, ocasionar la falla de los componentes lo cual comprometería la seguridad de las instalaciones nucleares. Es fundamental efectuar una descripción cuantitativa de estos procesos junto a las relaciones que tienen con las variables operacionales y los parámetros del material para poder determinar las propiedades limitantes de los materiales involucrados y mejorar el desempeño de los códigos en las simulaciones. El modelo de densificación que se presenta explica la contracción de los poros como consecuencia de la emisión de vacancias y recepción de intersticiales por los poros bajo los efectos de la temperatura y la irradiación. Asimismo, muestra que la densificación se debe principalmente a la desaparición de los poros más pequeños, modificándose así la distribución de tamaños de poros. Para ello, se resuelven las ecuaciones de difusión de vacancias e intersticiales, en un grano promedio de UO2 que se supone esférico, a través del método de diferencias finitas. Como primera aplicación, este modelo se utilizó para describir la densificación en experimentos de resinterizado en los cuales sólo se observa el efecto de la temperatura. Los resultados obtenidos por las simulaciones se comparan con los datos experimentales reportados en la literatura abierta, obteniendo un buen acuerdo. Se destaca que se encuentra aún en desarrollo un modelo de hinchamiento.