A causa imediata do acidente na usina nuclear de Fukushima Daiichi de março de 2011 foi o derretimento do núcleo do reator. Durante este processo, o zircônio do revestimento do combustível reagiu com a água, produzindo uma grande quantidade de hidrogênio. Esse hidrogênio, combinado com os materiais radioativos voláteis, vazou do vaso de contenção e entrou no edifício de reator, resultando em explosões. No passado, o aço inoxidável foi utilizado como revestimento em muitos reatores de água pressurizada (PWR), e seu desempenho sob irradiação foi excelente; entretanto, o aço inoxidável foi substituído por uma liga à base de zircônio como material de revestimento, principalmente devido à sua mais baixa seção de choque de absorção de nêutrons. Hoje, o revestimento de aço inoxidável aparece novamente como uma possível solução para problemas de segurança relacionados a explosão e a produção de hidrogênio. O objetivo desta tese de doutorado é discutir o desempenho sob irradiação de varetas combustíveis usando aço inoxidável como material de revestimento. Os resultados mostram que varetas de aço inoxidável exibem temperaturas mais baixas no combustível e maiores larguras da folga pastilha-revestimento do que as varetas revestidas por Zircaloy e essa folga não fecha durante a irradiação. O desempenho térmico das duas varetas combustíveis é muito semelhante, e a penalidade de maior absorção de nêutrons em razão do uso de aço inoxidável pode ser compensada pela combinação de um pequeno aumento no enriquecimento do U-235 e modificações no tamanho do espaçamento entre as varetas combustíveis. / The immediate cause of the accident at the Fukushima Daiichi nuclear plant in March 2011 was the meltdown of the reactor core. During this process, the zirconium cladding of the fuel reacts with water, producing a large amount of hydrogen. This hydrogen, combined with volatile radioactive materials leaked from the containment vessel and entered the building of the reactor, resulting in explosions. In the past, stainless steel was used as the coating in many pressurized water reactors (PWR) under irradiation and their performance was excellent, however, the stainless steel was replaced by a zirconium-based alloy as a coating material mainly due to its lower section shock-absorbing neutrons. Today, the stainless steel finish appears again as a possible solution for security issues related to the explosion and hydrogen production. The objective of this thesis is to discuss the performance under irradiation of fuel rods using stainless steel as a coating material. The results showed that stainless steel rods exhibit lower temperatures and higher fuel pellet width of the gap - coating the coated rods Zircaloy and this gap does not close during the irradiation. The thermal performance of the two fuel rods is very similar, and the penalty of increased absorption of neutrons due to the use of stainless steel can be offset by the combination of a small increase in the enrichment of U- 235 and changes in the size of the spacing between the fuel rods.

Este trabalho tem como objetivo estudar as modificações introduzidas, ao longo de sucessivas versões, nos modelos empíricos do programa computacional FRAPCON utilizado para a simulação do comportamento sob irradiação de varetas combustíveis de Reatores a Água Leve Pressurizada (Pressurized Water Reactor - PWR) em regime de estado estacionário e sob condições de alta queima. No estudo, foram analisados os modelos empíricos utilizados pelo FRAPCON e que são apresentados em sua documentação oficial. Um estudo bibliográfico foi conduzido sobre os efeitos da alta queima em combustíveis nucleares visando melhorar o entendimento dos modelos utilizados pelo FRAPCON nestas condições. Foram feitas simulações do comportamento sob irradiação de uma vareta combustível típica de um reator PWR utilizando as versões 3.3, 3.4 e 3.5 do FRAPCON. Os resultados apresentados pelas diferentes versões do programa foram comparados entre si de forma a verificar as consequências das mudanças de modelo nos parâmetros de saída do programa. Foi possível observar que as modificações introduzidas trouxeram diferenças significativas nos resultados de parâmetros térmicos e mecânicos da vareta combustível, principalmente quando se evoluiu da versão FRAPCON-3.3 para a versão FRAPCON-3.5. Nessa ultima versão, obteve-se menores temperaturas na vareta combustível, menores tensões e deformações no revestimento, menor espessura da camada de oxido formada no revestimento a altas queimas na vareta combustível. / This work studies the modifications implemented over successive versions in the empirical models of the computer program FRAPCON used to simulate the steady state irradiation performance of Pressurized Water Reactor (PWR) fuel rods under high burnup condition. In the study, the empirical models present in FRAPCON official documentation were analyzed. A literature study was conducted on the effects of high burnup in nuclear fuels and to improve the understanding of the models used by FRAPCON program in these conditions. A steady state fuel performance analysis was conducted for a typical PWR fuel rod using FRAPCON program versions 3.3, 3.4, and 3.5. The results presented by the different versions of the program were compared in order to verify the impact of model changes in the output parameters of the program. It was observed that the changes brought significant differences in the results of the fuel rod thermal and mechanical parameters, especially when they evolved from FRAPCON-3.3 version to FRAPCON-3.5 version. Lower temperatures, lower cladding stress and strain, lower cladding oxide layer thickness were obtained in the fuel rod analyzed with the FRAPCON-3.5 version.

A causa imediata do acidente na usina nuclear de Fukushima Daiichi de março de 2011 foi o derretimento do núcleo do reator. Durante este processo, o zircônio do revestimento do combustível reagiu com a água, produzindo uma grande quantidade de hidrogênio. Esse hidrogênio, combinado com os materiais radioativos voláteis, vazou do vaso de contenção e entrou no edifício de reator, resultando em explosões. No passado, o aço inoxidável foi utilizado como revestimento em muitos reatores de água pressurizada (PWR), e seu desempenho sob irradiação foi excelente; entretanto, o aço inoxidável foi substituído por uma liga à base de zircônio como material de revestimento, principalmente devido à sua mais baixa seção de choque de absorção de nêutrons. Hoje, o revestimento de aço inoxidável aparece novamente como uma possível solução para problemas de segurança relacionados a explosão e a produção de hidrogênio. O objetivo desta tese de doutorado é discutir o desempenho sob irradiação de varetas combustíveis usando aço inoxidável como material de revestimento. Os resultados mostram que varetas de aço inoxidável exibem temperaturas mais baixas no combustível e maiores larguras da folga pastilha-revestimento do que as varetas revestidas por Zircaloy e essa folga não fecha durante a irradiação. O desempenho térmico das duas varetas combustíveis é muito semelhante, e a penalidade de maior absorção de nêutrons em razão do uso de aço inoxidável pode ser compensada pela combinação de um pequeno aumento no enriquecimento do U-235 e modificações no tamanho do espaçamento entre as varetas combustíveis. / The immediate cause of the accident at the Fukushima Daiichi nuclear plant in March 2011 was the meltdown of the reactor core. During this process, the zirconium cladding of the fuel reacts with water, producing a large amount of hydrogen. This hydrogen, combined with volatile radioactive materials leaked from the containment vessel and entered the building of the reactor, resulting in explosions. In the past, stainless steel was used as the coating in many pressurized water reactors (PWR) under irradiation and their performance was excellent, however, the stainless steel was replaced by a zirconium-based alloy as a coating material mainly due to its lower section shock-absorbing neutrons. Today, the stainless steel finish appears again as a possible solution for security issues related to the explosion and hydrogen production. The objective of this thesis is to discuss the performance under irradiation of fuel rods using stainless steel as a coating material. The results showed that stainless steel rods exhibit lower temperatures and higher fuel pellet width of the gap - coating the coated rods Zircaloy and this gap does not close during the irradiation. The thermal performance of the two fuel rods is very similar, and the penalty of increased absorption of neutrons due to the use of stainless steel can be offset by the combination of a small increase in the enrichment of U- 235 and changes in the size of the spacing between the fuel rods.

Este trabalho tem como objetivo estudar as modificações introduzidas, ao longo de sucessivas versões, nos modelos empíricos do programa computacional FRAPCON utilizado para a simulação do comportamento sob irradiação de varetas combustíveis de Reatores a Água Leve Pressurizada (Pressurized Water Reactor - PWR) em regime de estado estacionário e sob condições de alta queima. No estudo, foram analisados os modelos empíricos utilizados pelo FRAPCON e que são apresentados em sua documentação oficial. Um estudo bibliográfico foi conduzido sobre os efeitos da alta queima em combustíveis nucleares visando melhorar o entendimento dos modelos utilizados pelo FRAPCON nestas condições. Foram feitas simulações do comportamento sob irradiação de uma vareta combustível típica de um reator PWR utilizando as versões 3.3, 3.4 e 3.5 do FRAPCON. Os resultados apresentados pelas diferentes versões do programa foram comparados entre si de forma a verificar as consequências das mudanças de modelo nos parâmetros de saída do programa. Foi possível observar que as modificações introduzidas trouxeram diferenças significativas nos resultados de parâmetros térmicos e mecânicos da vareta combustível, principalmente quando se evoluiu da versão FRAPCON-3.3 para a versão FRAPCON-3.5. Nessa ultima versão, obteve-se menores temperaturas na vareta combustível, menores tensões e deformações no revestimento, menor espessura da camada de oxido formada no revestimento a altas queimas na vareta combustível. / This work studies the modifications implemented over successive versions in the empirical models of the computer program FRAPCON used to simulate the steady state irradiation performance of Pressurized Water Reactor (PWR) fuel rods under high burnup condition. In the study, the empirical models present in FRAPCON official documentation were analyzed. A literature study was conducted on the effects of high burnup in nuclear fuels and to improve the understanding of the models used by FRAPCON program in these conditions. A steady state fuel performance analysis was conducted for a typical PWR fuel rod using FRAPCON program versions 3.3, 3.4, and 3.5. The results presented by the different versions of the program were compared in order to verify the impact of model changes in the output parameters of the program. It was observed that the changes brought significant differences in the results of the fuel rod thermal and mechanical parameters, especially when they evolved from FRAPCON-3.3 version to FRAPCON-3.5 version. Lower temperatures, lower cladding stress and strain, lower cladding oxide layer thickness were obtained in the fuel rod analyzed with the FRAPCON-3.5 version.

With a growing share of intermittent electrical energy sources in the national grid of Sweden, areview of the safety of using nuclear power for flexible operation is necessary. Today nuclearpower is used as base load power and when examining challenges of flexible power operation,the risk for Pellet-Cladding Interaction (PCI), stands out. Vattenfall Nuclear Fuel lack a methodof calculating the PCI risk which this study will develop. It does this by mapping the risk for PCIthrough calculating power increase margins, in terms of ΔLHGR for full and flexible poweroperation. The results show that cladding strain for all simulated power levels is the limitingfactor. The time at which fuel remain at reduced power also has a large impact and the speed atwhich the PCI margin deteriorates has been calculated. Data from Westinghouse show that theresults compare relatively well for similar experimental set ups with some systemicconservatism. The automated library of code can be easily used to calculate the PCI risk for fuelin the future. The risk for PCI when returning to fuel power, per a Westinghouse conferencepaper, significantly reduces and should be investigated with the use of provided code. Possiblelimits with this study, however unquantified, are the use of 100 W/cm transient speed and theuse of full power axial profiles for reduced power operation in simulations.

The Multi-Application Small Light Water Reactor (MASLWR) is a small natural circulation pressurized light water reactor design that was developed by Oregon State University (OSU) and Idaho National Engineering and Environmental Laboratory (INEEL) under the Nuclear Energy Research Initiative (NERI) program to address the growing demand for energy and electricity. The MASLWR design is geared toward providing electricity to small communities in remote locations in developing countries where constructions of large nuclear power plants are not economical. The MASLWR reactor is designed to operate for five years without refueling and with fuel enrichment up to 8 %. In 2003, an experimental thermal hydraulic research facility also known as the OSU MASLWR Test Facility was constructed at Oregon State University to examined the performance of new reactor design and natural circulation reactor design concepts. This thesis is focused on the thermal hydraulics analysis and fuel performance analysis of the MASLWR prototypical cores with fuel enrichment of 4.25 % and 8 %. The goals of the thermal hydraulic analyses were to calculate the departure nucleate boiling ratio (DNBR) values, coolant temperature, cladding temperature and fuel temperature profiles in the hot channel of the reactor cores. The thermal hydraulic analysis was performed for steady state operation of the MASLWR prototypical cores. VIPRE Version 01 is the code used for all the computational modeling of the prototypical cores during thermal hydraulic analysis. The hot channel and hot rod results are compared with thermal design limits to determine the feasibility of the prototypical cores. The second level of analysis was performed with a fuel performance code FRAPCON for the limiting MASLWR fuel rods identified by the neutronic and thermal hydraulic analyses. The goals of the fuel performance analyses were to calculate the oxide thickness on the cladding and fission gas release (FGR). The oxide thickness results are compared with the acceptable design limits for standard fuel rods. The results in this research can be helpful for future core designs of small light water reactors with natural circulation. / Graduation date: 2012