[PDF]    http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.45508

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 45, 393–396 (2005)


SELF-ORGANIZED CRITICALITY IN EVOLUTION OF NUCLEAR FUEL MICROSTRUCTURE ∗
I. Petrashenko, L. Juodis, G. Trinkūnas, and V. Remeikis
Institute of Physics, Savanorių 231, LT-02300 Vilnius, Lithuania
E-mail: laurynas@ar.fi.lt

Received 2 June 2005

Nuclear fuel microstructure has major influence on the fission product release from nuclear fuel matrix. Here we present the self-organized criticality model applied to describe the evolution of nuclear fuel microstructure. It is shown that the behaviour of fuel bubbles is similar to that of species in natural ecosystems and their evolution can be characterized as an avalanche process. Modelled bubble size distribution for different fuel burnups is in good agreement with the experimental data.
Keywords: nuclear fuel, structure, self-organized criticality, modelling
PACS: 28.41.Bm, 05.65, 61.43.Bn
∗ The report presented at the 36th Lithuanian National Physics Conference, 16–18 June 2005, Vilnius, Lithuania


SAVIORGANIZUOTAS KRITIŠKUMAS BRANDUOLINIO KURO MIKROSTRŪKTROS EVOLIUCIJOJE
I. Petrashenko, L. Juodis, G. Trinkūnas, V. Remeikis
Fizikos institutas, Vilnius, Lietuva

Branduolinio kuro (BK) dalijimosi produktų (DP) migraciją stipriai įtakoja BK tablečių UO2 polikristalinės struktūros kaita degimo proceso metu – ertmių su DP susidarymas ir išnykimas. Šiame darbe, modeliuojant BK mikrostruktūros evoliuciją reaktoriuje, pritaikytas biologinių ekosistemų evoliucijos saviorganizuoto kritiškumo modelis. Iškelta hipotezė, kad reaktoriuje išdegančio BK dariniai – ertmės su DP – sąveikaudamos su UO2 matrica ir dėl radiacinio poveikio taip pat patenka į saviorganizuotą būseną.
BK ertmes aprašėme vienmate grandinėle su periodinėmis kraštinėmis sąlygomis. Kiekvienai iš ertmių priskyrėme jos dydį apibūdinantį parametrą Bi. Kritinius įvykius modeliavome, didžiausios ertmės ir jos kaimynų parametrus keisdami atsitiktinėmis vertėmis. Nustatyta, kad po tam tikro ciklų skaičiaus nusistovi būsena, kuri apibūdinama atstumų tarp paeiliui įvykusių pokyčių laipsniniu skirstiniu su laipsnio rodikliu, būdingu modeliuojamai sistemai. Toks skirstinys rodo, kad sistema yra saviorganizuotos kritinės būsenos, kurios pokyčiai vyksta griūtimis: atskira ertmė ilgą laikotarpį gali būti pasyvi, tačiau staiga gali patirti aktyvumo proveržį, paaiškinamą ertmės sąveika su aplinka – jos sunaikinimą dalijimosi skeveldra, tūrio pokytį dėl hidrostatinio slėgio ar DP pagavimo. Modeliuojant pastebėta, kad gretimai kintančių ertmių skaičius lemia ertmės dydžio pasiskirstymo pavidalą. Palyginus modelinius ertmių dydžių skirstinius su eksperimentiniais, gretimų ertmių, dalyvaujančių kritiniame įvykyje, skaičius susietas su BK išdegimo
laipsniu.


References / Nuorodos

[1] A.H. Booth, A suggested method for calculating the diffusion of radioactive rare gas fission products from UO2 fuel elements and a discussion of proposed in-reactor experiments that may be used to test its validity, Report DCI-27, September 1957, Atomic Energy of Canada Ltd. Chalk River Project, Chalk River, Ontario
[2] R.J. White, The fractal nature of the surface of uranium dioxide: A resolution of the short-lived/stable gas release dichotomy, J. Nucl. Mater. 295, 133–148 (2001),
http://dx.doi.org/10.1016/S0022-3115(01)00571-2
[3] I. Antoniou, E.P. Akishina, V.V. Ivanov, B.F. Kostenko, and A.D. Stalios, Cellular automata study of high burnup structures, Chaos, Solitons and Fractals 18, 1111–1128 (2003),
http://dx.doi.org/10.1016/S0960-0779(03)00079-1
[4] K. Lassmann and H. Benk, Numerical algorithms for intragranular fission gas release, J. Nucl. Mater. 280, 127–135 (2000),
http://dx.doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00044-1
[5] L.O. Jernkvist, A.R. Massih, and J. In de Betou, Evaluation of fission product gas release and the impact of fuel microstructure at high burnup, Paper presented at the Enlarged Halden Programme Group Meeting, September 8–13, 2002, Storefjell, Gol, Norway
[6] D.R. Olander and P. van Uffelen, On the role of grain boundary diffusion in fission gas release, J. Nucl. Mater. 228, 137–147 (2001),
http://dx.doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00725-X
[7] P. Lösönen, On the behaviour of intragranular fission gas in UO2 fuel, J. Nucl. Mater. 280, 56–72 (2000),
http://dx.doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00028-3
[8] C. Baker, The migration of intragranular fission gas bubbles in irradiated uranium dioxide, J. Nucl. Mater. 71, 117–123 (1977),
http://dx.doi.org/10.1016/0022-3115(77)90195-7
[9] J.A. Turnbull, The distribution of intragranular fission gas bubbles in UO2 during irradiation, J. Nucl. Mater. 38, 203–212 (1971),
http://dx.doi.org/10.1016/0022-3115(71)90044-4
[10] M.E. Gulden, Migration of gas bubbles in irradiated uranium dioxide, J. Nucl. Mater. 23, 30–36 (1967),
http://dx.doi.org/10.1016/0022-3115(67)90128-6
[11] G.J. Small, The elimination of small voids in UO2 during irradiation, J. Nucl. Mater. 125, 117–119 (1984),
http://dx.doi.org/10.1016/0022-3115(84)90522-1
[12] P. Bak and K. Sneppen, Punctuated equilibrium and criticality in a simple model of evolution, Phys. Rev. Lett. 71, 4083–4086 (1993),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.4083