High temperature chemical interaction between corium and neutron absorbers during a severe accident in a sodium fast reactor
Description
During a severe accident in a Sodium Fast Reactor (SFR), nuclear fuel may react with steel cladding and absorbing materials (B4C) to form a molten mixture, called 'corium'. The project aims to investigate chemical reactions involved in corium formation through a thermodynamic approach on the prototypical system (Pu - U - O - Fe - Cr - Ni - B - C). The approach is based on the CALPHAD method, predicting properties of multicomponent systems using those from binary and ternary subsystems. The TAF-ID database has been used. High temperature chemical interactions in the (U,Pu)O2 - steel - B4C and UO2 - steel - B4C systems have been studied through heat treatments at 1923 K and 2173 K. In this temperature range, the oxide fuel interacts with a metallic liquid phase that results from the melting of the steel - (B4C mixture. A carbo-reduction of the oxide from the dissolved carbon then occurs. This reaction leads to CO(g) vaporisation and minor U and Pu dissolution in metallic liquid phase. High temperature mass spectrometry measurements on (U,Pu)O2 - Fe - (B4C and PuO2 - Fe - B4C systems confirmed the CO(g) release, as well as CO2(g) and BO(g), as predicted by thermodynamic calculations. These trials also showed an effect of the fuel Pu content on the carbo-reduction. Higher Pu content increases the fuel oxygen potential and thus supports carbo-reduction. Finally, laser heating experiment on (U,Pu)O2 - B4C system revealed that the carbo-reduction even occurs under very fast kinetic conditions. The detailed analysis of sample microstructures showed the formation of numerous phases during the liquid phase solidification. Formation of mixed borides (Fe,Cr)Bx and U(Fe,Ni)yBx was not predicted by the TAF-ID calculations as Cr - Fe - B and U - Fe - B systems were not modelled. Therefore, Cr - Fe - B and U - Fe - B modelling was carried out with the CALPHAD method. For this purpose, each system went through a specific study to complete the literature data. Thermal analysis and heat treatments permitted to acquire phase diagram data on the B - Cr - Fe system. DFT calculations coupled with a quasi-harmonic model allowed to define thermodynamic properties of B - Fe - U ternary compounds. By considering these two models, the calculated solidification paths very well agree with the observed microstructures. Finally, based on experimental and computational results, a carbo-reduction mechanism was proposed to explain the different reaction steps. This work shows that an approach through thermodynamic computation is essential to describe chemical reactions involved in SFR reactors severe accidents. Combining Open Calphad code, TAF-ID database and severe accident simulation codes, such as SIMMER, should allow improvement of the physicochemical description of the corium. (author)
Abstract (French)
Lors d'un accident grave dans un reacteur a neutrons rapides refroidi au sodium (RNR-Na), le combustible nucleaire (U,Pu)O2 peut reagir avec la gaine en acier et le materiau absorbant (B4C) pour former un melange partiellement ou totalement fondu, appele 'corium'. L'objectif de la these est d'etudier les reactions chimiques menant et les mecanismes de formation du corium par une approche thermodynamique sur le systeme prototypique (Pu - U - O - Fe - Cr - Ni - B - C). La demarche utilisee dans la these est basee sur la methode CALPHAD qui permet de modeliser les proprietes thermodynamiques et les equilibres de phase de ce systeme complexe a partir de donnees experimentales et de calcul. La base de donnees TAF-ID a ete utilisee. Les interactions chimiques a haute temperature dans les systemes (U,Pu)O2 - acier - B4C et UO2 - acier - B4C ont ete etudiees par des traitements thermiques a 1923 K et 2173 K. Dans cette gamme de temperature le combustible oxyde est en contact avec une phase liquide metallique issue de la fusion du melange acier-B4C. Une reaction de carbo-reduction de l'oxyde par le carbone dissout dans la phase liquide se produit. Cette reaction mene a la production de CO(g) et a la dissolution d'une faible fraction d'U et de Pu dans la phase liquide metallique. Des mesures de spectrometrie de masse a haute temperature sur les systemes (U,Pu)O2 - Fe - B4C et PuO2 - Fe - B4C ont confirme le relachement de principalement CO(g), mais aussi de CO2 (g) et BO(g), pendant la reaction, predit par le calcul thermodynamique. Ces essais ont aussi montre une influence de la teneur en Pu du combustible sur la reaction de carbo-reduction. L'augmentation de la teneur en Pu tend a augmenter le potentiel d'oxygene du combustible et donc a favoriser la reduction de l'oxyde par carbo-reduction. Enfin, un essai par chauffage laser sur le systeme (U,Pu)O2 - B4C dans le dispositif RADES a montre que la reaction de carbo-reduction se produit meme dans ces conditions de cinetique tres rapide. L'analyse detaillee de la microstructure des echantillons a montre la formation de nombreuses phases lors de la solidification de la phase liquide metallique. La presence des borures mixtes du type (Fe,Cr)Bx et U(Fe,Ni)yBx n'etait pas predite par les calculs avec la TAF-ID car les systemes ternaires Cr - Fe - B et U - Fe - B n'etaient pas modelises. La modelisation des systemes ternaires B - Cr - Fe et B - Fe - U a donc ete effectuee avec la methode CALPHAD. Pour cela, chaque systeme a fait l'objet d'une etude specifique pour completer les donnees de la litterature. Des donnees de diagramme de phase ont ete mesurees sur le systeme B - Cr - Fe par des essais d'analyse thermique et des traitements thermiques. Pour le systeme B - Fe - U, les proprietes thermodynamiques des composes ternaires ont ete determinees par des calculs DFT couples a un modele quasi-harmonique. Avec la prise en compte de ces deux modeles sur les ternaires B - Cr - Fe et B - Fe - U, les chemins de solidification calcules sont en tres bon accord avec les microstructures observees.Finalement, sur la base des resultats experimentaux et de calcul, un mecanisme a ete propose pour expliquer les differentes etapes de la reaction de carbo-reduction.Ce travail montre que l'approche par le calcul thermodynamique est indispensable pour decrire les reactions chimiques a haute temperature se produisant dans le corium lors d'un accident grave dans un reacteur RNR-Na. Un couplage pourrait etre envisage entre le code Open Calphad, la TAF-ID et les codes de simulation d'accident grave comme SIMMER pour ameliorer la description physico-chimique du corium dans ces codes
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Interaction chimique a haute temperature entre les materiaux absorbants et le corium lors d'un accident grave dans un reacteur RNR-Na
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 252 p.
- Report number
- FRCEA-TH--14872
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54015228
- Subject category
- S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY; S21: SPECIFIC NUCLEAR REACTORS AND ASSOCIATED PLANTS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ACCIDENTS; BORON CARBIDES; COMPUTERIZED SIMULATION; CORIUM; DENSITY FUNCTIONAL METHOD; FAST REACTORS; HEAT TREATMENTS; MICROSTRUCTURE; MIXED OXIDE FUELS; PHASE DIAGRAMS; SODIUM COOLED REACTORS; SOLIDIFICATION; THERMODYNAMIC PROPERTIES
- Descriptors DEC
- BORON COMPOUNDS; CALCULATION METHODS; CARBIDES; CARBON COMPOUNDS; DIAGRAMS; ENERGY SOURCES; EPITHERMAL REACTORS; FUELS; INFORMATION; LIQUID METAL COOLED REACTORS; MATERIALS; NUCLEAR FUELS; PHASE TRANSFORMATIONS; PHYSICAL PROPERTIES; REACTOR MATERIALS; REACTORS; SIMULATION; SOLID FUELS; VARIATIONAL METHODS
Optional Information
- Notes
- 186 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses