In this thesis, Multiphysics finite element analysis was utilized to simulate the thermal-electrical coupled phenomena in the field-assisted sintering heating element when it is used as a compressive creep testing apparatus. The simulations detected a thermal deviation within the sample during the test and quantified it. After that, the heating geometry was optimized to minimize the sample temperature deviation. As this temperature deviation significantly influences the creep test results, these results provide practical geometrical recommendations for the use of SPS creep testing to achieve minimal sample temperature deviation. Using the results of the parametric analysis and control, a sintering heating element design is proposed that provides ultra large temperature gradients within the sintered sample. The thermal gradient and quantified and the heating geometry was then used to fabricate functionally graded stainless steel 304L and 8 mol.% Y$_2$O$_3$-stabilized ZrO$_2$ (8YSZ). The temperature gradients within the samples were 80 and 122 °C/mm for SUS 304L and 8YSZ, respectively. The results show a graded structure in the samples in terms of porosity, grain size, and hardness. Thereafter, microstructural evolution modelling using mesoscale simulations was used to tackle the evolution in the sintering microstructure of functionally graded stainless steel as well as the high burnup structure formation in UO$_2$ nuclear fuel. Mesoscale simulations of functionally graded stainless steel sintering accurately evaluate the microstructural evolution of sintering, quantify the sintering behavior, and predict the effects of several parameters on the functionally graded density profiles. On the other hand, mesoscale simulations of the high burnup structure formation simulated the formation of the high burnup structure in terms of fission gas bubble evolution and grain recrystallization. These results provide an insight on how the high burnup structure is formed in UO$_2$ fuel and how it interacts with the presence of the radial burnup and thermal gradient profiles. Furthermore, as fuel performance codes and finite element analysis based simulations do not consider the microstructural evolution of the high burnup structure in nuclear fuels, such results can provide significant inputs to these codes to allow for the accurate evaluation of the fuel performance as the microstructure in the mesoscale level develops during the reactor operation that enhances the reactor operation, safety, and design.
본 논문에서는 압축 크리프 시험 장치로 사용되는 통전 소결 발열체의 열-전기 연성 현상을 전산모사하기 위해 다물리 유한 요소 해석을 활용하였다. 테스트 중에 샘플 내에서 열 편차를 계산하여 정량화하였고 몰드와 시편의 배치를 최적화하여 샘플 내 온도 편차를 최소화하였다. 온도 편차는 크리프 테스트 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 최소 샘플 온도 편차를 달성하기 위해 SPS 크리프 테스트 사용 시 권장 사항을 제공할 수 있었다. 또한 소결 된 샘플 내에서 매우 큰 온도 구배를 제공하는 몰드 발열체 설계를 제안하였다. 스테인리스 스틸 304L 및 8 mol. % Y$_2$O$_3$ 안정화 ZrO$_2$ (8YSZ)를 제작하였고 샘플 내 계산된 온도 구배는 SUS 304L 및 8YSZ에 대해 각각 80 및 122 °C/mm 였다. 기공도, 결정립 크기 및 경도 측면에서 소결체 경사 구조를 얻을 수 있었다. 한편 메조스케일 시뮬레이션을 사용하여 경사 구조를 갖는 스테인리스 강의 소결 미세 구조의 변화와 UO$_2$ 핵연료의 고연소도 미세구조 형성을 모사하였다. 고연소도 구조 핵연료 조건에 대한 메조스케일 전산모사를 통해 핵분열 가스 기포 발생 및 결정립 재결정에 의한 미세조직 형성을 모사하였다. 기존의 핵연료 성능 코드 및 유한 요소 분석 기반 시뮬레이션은 핵연료에서 고연소도 구조의 발달을 상세히 고려하지 않으므로 본 논문의 결과를 통해 성능 해석 코드에 중요한 입력을 제공하여 미세 구조 변화에 따른 핵연료 성능 평가에 기여할 수 있다.
