EP4634938A1 - Pastille de combustible nucléaire à enrichissement variable radialement - Google Patents

Pastille de combustible nucléaire à enrichissement variable radialement

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Publication number
EP4634938A1
EP4634938A1 EP23828178.6A EP23828178A EP4634938A1 EP 4634938 A1 EP4634938 A1 EP 4634938A1 EP 23828178 A EP23828178 A EP 23828178A EP 4634938 A1 EP4634938 A1 EP 4634938A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
enrichment
layer
pellet
intermediate layer
distal
Prior art date
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Pending
Application number
EP23828178.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Julien Dumond
Martin Schneider
Yannick WRTAL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Areva NP SAS
Original Assignee
Framatome SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Framatome SA filed Critical Framatome SA
Publication of EP4634938A1 publication Critical patent/EP4634938A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/16—Details of the construction within the casing
    • G21C3/20—Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/045—Pellets
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58—Solid reactor fuel Pellets made of fissile material

Definitions

  • the present invention relates to the field of nuclear fuel, and in particular to a nuclear fuel pellet intended to be integrated into a nuclear fuel rod.
  • a core of a light water or heavy water nuclear reactor is generally formed of a plurality of nuclear fuel assemblies arranged side by side, each nuclear fuel assembly comprising a bundle of nuclear fuel rods, each fuel rod nuclear comprising a tubular sheath containing nuclear fuel, the sheath being closed at each of its two ends by a cap.
  • the nuclear fuel is for example provided in the form of nuclear fuel pellets containing a fissile material, each pellet being of generally cylindrical shape, the pellets being stacked in the sheath.
  • One of the aims of the invention is to provide a nuclear fuel pellet making it possible to limit the risk of deterioration of the pellet during its use.
  • the invention proposes a nuclear fuel pellet of symmetrical shape of revolution around a central axis and containing a fissile material, the pellet having concentric layers including a proximal layer, an intermediate layer and a distal layer, in in which the enrichment of fissile material within the pellet varies radially, and the intermediate layer comprises a zone of high enrichment in which the enrichment is strictly greater than the enrichment in the proximal layer and/or the enrichment in the distal layer.
  • the radially variable enrichment of fissible material in the pellet makes it possible to adjust the reactivity and combustion within the nuclear fuel pellet as a function of the radius, so as to limit the risk of deterioration linked to locally high combustion and/or at a locally high temperature.
  • a higher enrichment in an intermediate layer than in a proximal layer makes it possible to preserve energy equivalence while limiting the temperature in the center of the pellet, which limits the risk of melting in an accident situation.
  • a higher enrichment in an intermediate layer than in a distal layer makes it possible to preserve energy equivalence while limiting the risk of excessive combustion in the distal layer.
  • the pellet comprises one or more of the following optional characteristics, taken individually or in all technically possible combinations:
  • the enrichment increases with the radius in a zone of the intermediate layer adjacent to the proximal layer
  • the increase in enrichment is continuous or discontinuous, and/or gradual;
  • the enrichment is maximum at an interface between the proximal layer and the intermediate layer
  • the enrichment decreases from an interface between the proximal layer and the intermediate layer to an interface between the intermediate layer and the distal layer;
  • the enrichment in the proximal layer is equal to or greater than 0.25% and/or equal to or less than 1.0% and/or the enrichment in the distal layer is equal to or greater than 0.25% and less than or equal to 1.0%;
  • the enrichment in the high enrichment zone is equal to or greater than 1.8% and/or less than or equal to 10.0%;
  • the intermediate layer represents a volume fraction of the pellet of between 60% and 94% and/or the proximal layer represents a volume fraction of the pellet of between 5% and 20% and/or the distal layer represents a volume fraction of the tablet between 1% and 20%.
  • the invention also relates to a nuclear fuel rod, comprising a tubular sheath containing pellets as defined above.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a nuclear fuel rod comprising nuclear fuel pellets
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a nuclear fuel pellet
  • FIGS. 3 to 6 are graphs illustrating different enrichment profiles of a nuclear fuel pellet as a function of radius
  • FIG. 7 is a schematic sectional view of a nuclear fuel pellet according to another exemplary embodiment.
  • Figure 1 illustrates a nuclear fuel rod 2 intended for use in a light water reactor, in particular a pressurized water reactor (or PWR for “Pressurized Water Reactor”) or a boiling water reactor (or BWR for “Pressurized Water Reactor”).
  • Boiling Water Reactor a "VVER” type reactor, an "RBMK” type reactor, a heavy water reactor, for example of the "CANDU” type.
  • the nuclear fuel rod 2 is elongated along a longitudinal axis A.
  • the nuclear fuel rod 2 comprises a sheath 4 containing nuclear fuel.
  • the sheath 4 is tubular and extends along the longitudinal axis A.
  • the sheath 4 is closed in a watertight manner at each of its ends by a plug 6.
  • the nuclear fuel is in the form of a stack of pellets 8 of nuclear fuel stacked axially inside the sheath 4, each pellet 8 containing fissile material.
  • the stack of pellets 8 is also called “fissile column”.
  • the nuclear fuel rod 2 comprises a spring 10 disposed inside the sheath 4, between the stack of pellets 8 and one of the plugs 6, to push the stack of pellets 8 towards the other plug 6.
  • a void or plenum 12 is present between the stack of pellets 8 and the plug 6 on which the spring 10 is supported.
  • the pellets 8 are similar and only one of the pellets 8 will be described in more detail below, with particular reference to Figure 2.
  • the pellet 8 has a shape of revolution around a central axis B.
  • the pellet 8 preferably has a general cylindrical shape of circular cross section centered on the central axis B.
  • the pellet 8 has a side surface 14 and two opposite end surfaces 16.
  • the side surface 14 extends along the central axis B.
  • the side surface 14 is cylindrical with a circular cross section centered on the central axis B.
  • Each end surface 16 extends from an end edge of the side surface 14 towards the central axis B.
  • Each end surface 16 is for example substantially flat and perpendicular to the central axis B.
  • the pellet 8 contains a fissile material, the fissile material preferably being uranium dioxide (UO2).
  • the pellet 8 comprises for example a matrix made of a matrix material and the fissile material distributed in the matrix.
  • the pellet 8 has several concentric layers.
  • the pellet 8 has a proximal layer 20, an intermediate layer 22 and a distal layer 24 concentric.
  • the proximal layer 20 is the layer of the pellet 8 which is radially closest to the central axis B, and in particular which includes the central axis B.
  • the proximal layer 20 is the radially innermost layer of the pellet 8 .
  • the distal layer 24 is the layer of the pellet 8 which is radially furthest from the central axis B.
  • the distal layer 24 is the radially outermost layer of the pellet 8.
  • the distal layer 24 is the superficial layer of the tablet 8.
  • the intermediate layer 22 is located radially between the proximal layer 20 and the distal layer 24.
  • the proximal layer 20 extends radially up to a first radius R1
  • the intermediate layer 22 extends radially between the first radius R1 and a second radius R2
  • the distal layer 24 extends radially between the second radius R2 and a third ray R3.
  • the third radius R3 is the external radius of the pellet 8, i.e. the radius of the lateral surface 14.
  • the pellet 8 has for example a height H, taken along the central axis B, of between 9 mm and 13 mm and/or an external diameter D of between 7 mm and 10 mm.
  • Each of the concentric layers of the pellet 8 has a thickness taken radially.
  • the proximal layer 20 has for example a thickness of between 700 pm and 2300 pm.
  • the thickness of the proximal layer 20 is equal to the first radius R1.
  • the intermediate layer 22 has a thickness of between 1.5 mm and 3.9 mm.
  • the thickness of the intermediate layer is equal to the difference between the second radius R2 and the first radius R1
  • the distal layer 24 has for example a third thickness of between 17 pm and 528 pm.
  • the thickness of the distal layer 24 is equal to the difference between the third radius R3 and the second radius R2.
  • the pellet 8 has a concentration of fissile material or “enrichment”.
  • the enrichment of pellet 8 varies radially, i.e. as a function of the distance from the central axis B of pellet 8.
  • the enrichment of the pellet 8 varies only radially.
  • the enrichment of pellet 8 does not vary axially or circumferentially.
  • the enrichment is the same over the entire height of pellet 8 and over the entire circumference of pellet 8.
  • the intermediate layer 22 has a zone of high enrichment in which the enrichment is strictly higher than in the proximal layer 20 and/or in the distal layer 24, preferably strictly higher than in the proximal layer 20 and in the layer distal 24.
  • the zone of high enrichment extends for example over the entire radial extent of the intermediate layer 22, for example if the enrichment is constant in the intermediate layer, or over a fraction of the radial extent of the intermediate layer 22 , for example if the enrichment varies within the intermediate layer 22.
  • the enrichment presents in the intermediate layer 22, and in particular in the high enrichment zone, a maximum enrichment EMAX.
  • Figures 3 to 7 are graphs illustrating different examples of enrichment profiles E of the pellet 8 as a function of the radius R, i.e. as a function of the distance from the central axis B of the pellet 8.
  • the proximal layer 20 has a constant proximal enrichment E PRO x in the proximal layer 20, a constant enrichment in the intermediate layer 22 and a constant distal EDIST enrichment in the distal layer 24.
  • the enrichment in intermediate layer 22 is strictly higher than the proximal EPROX enrichment of proximal layer 20 and the distal EDIST enrichment of distal layer 24.
  • the enrichment in the intermediate layer 22 corresponds to the maximum enrichment EMAX of the pellet 8.
  • the intermediate layer 22 has a maximum enrichment plateau EMAX which extends over the entire extent of the intermediate layer 22.
  • the zone of high enrichment of the intermediate layer 22 corresponds to the entire intermediate layer 22.
  • the enrichment is high over the entire radial extent of the intermediate layer 22, i.e. between the first ray R1 and the second ray R2 .
  • proximal EPROX enrichment of the proximal layer 20 and the distal EDIST enrichment of the distal layer 24 are for example equal.
  • proximal EPROX enrichment of the proximal layer 20 and the distal EDIST enrichment of the distal layer 24 are different, one being strictly higher than the other.
  • the enrichment profile presents a non-continuous jump at the interface between the proximal layer 20 and the intermediate layer 22, between the proximal enrichment EPROX and the maximum enrichment EMAX, and a jump not continuous at the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24, between the intermediate enrichment E AX and the distal enrichment EDIST.
  • the intermediate layer 22 optionally comprises a transition zone with continuous and/or gradual variation of the enrichment between the high enrichment zone and the proximal layer 20 and/or a transition zone with continuous and/or variation. or gradual enrichment between the zone of high enrichment and the distal layer 24.
  • the enrichment increases continuously with the radius (i.e. with the distance from the central axis B) in a zone of the intermediate layer 22 adjacent to the proximal layer 20, up to the high enrichment zone of the intermediate layer 22, for example from the proximal enrichment EPROX to the maximum enrichment EMAX.
  • the increase is continuous.
  • the increase is for example linear.
  • the increase is non-linear.
  • Said zone of the intermediate layer 22 adjacent to the proximal layer 20 defines a transition zone between the proximal layer 20 and the zone of high enrichment.
  • the enrichment decreases continuously with the radius in an area of the intermediate layer 22 adjacent to the distal layer 24, for example from the maximum enrichment EMAX to the distal enrichment EDIST.
  • the decrease is continuous.
  • the decrease is, for example, linear.
  • the decrease is non-linear.
  • Said zone of the intermediate layer 22 adjacent to the proximal layer 20 defines a transition zone and the zone of high enrichment.
  • the enrichment increases continuously with the radius in the zone adjacent to the proximal layer, from the proximal enrichment EPROX to the maximum enrichment EMAX, then remains constant , then decreases continuously in the area adjacent to the distal layer 24 until reaching the EDIST distal enrichment.
  • the enrichment profile presents an increasing portion from the proximal enrichment EPROX to a maximum enrichment plateau E AX, then a decreasing portion from the maximum enrichment plateau EMAX to the EDIST distal enrichment.
  • the increasing portion is linear. It has the shape of a rising ramp of constant slope. Alternatively, the increasing portion is non-linear. It has a variable slope.
  • the decreasing portion is linear. It has the shape of a descending ramp of constant slope. Alternatively, the decreasing portion is non-linear. It has a variable slope.
  • the enrichment shows a gradual increase.
  • a gradual increase is for example carried out with one or more intermediate levels.
  • a gradual increase is carried out for example continuously (with a ramp between two successive levels) and/or non-continuously (with a discontinuous jump between two successive levels).
  • the enrichment shows a gradual decrease.
  • a gradual reduction is for example carried out with one or more intermediate levels.
  • a gradual decrease is carried out for example continuously (with a ramp between two successive levels) and/or non-continuously (with a jump between two successive levels).
  • the enrichment profile illustrated in Figure 5 differs from that of Figure 4 in that the increase between the proximal enrichment EPROX and the maximum enrichment plateau EMAX is gradual, here with two intermediate levels, and in that reduction between the maximum enrichment plateau EMAX and the distal enrichment EDIST is gradual, here with two intermediate levels.
  • the enrichment profile does not necessarily present a maximum enrichment plateau in the intermediate layer 22.
  • the enrichment profile can increase in the intermediate layer 22 from the proximal enrichment EPROX to the maximum enrichment EMAX and/or decrease from the maximum enrichment E AX to the distal enrichment EDIST, presenting a zone of high enrichment in which the enrichment is strictly greater than the proximal EPROX enrichment and/or the distal EDIST enrichment.
  • the enrichment is maximum at the interface between the proximal layer 20 and the intermediate layer 22 then gradually decreases until the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24.
  • the enrichment here decreases continuously, and in particular linearly, up to the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24. Alternatively, the enrichment gradually decreases up to the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24. distal layer 24.
  • the maximum enrichment EMAX is reached near the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24, with a continuous or discontinuous and/or gradual variation between the proximal enrichment EPROX at the maximum enrichment EMAX , preferably of a small thickness, for example a thickness of between 50 pm and 500 pm.
  • the enrichment at the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24 is here strictly greater than the EDIST distal enrichment.
  • the enrichment presents a non-continuous jump at the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24.
  • the enrichment decreases in the intermediate layer 22 until reaching the distal EDIST enrichment at the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24.
  • the intermediate layer 22 presents a zone of high enrichment followed by a transition zone between the zone of high enrichment and the distal layer 24.
  • the enrichment presents in the intermediate layer 22 a continuous and/or gradual increase between the proximal enrichment EPROX and the maximum enrichment EMAX, then a plateau at the maximum enrichment EMAX up to the interface between the intermediate layer 22 and the distal layer 24 where the enrichment presents a discontinuous jump between the maximum enrichment EMAX and the distal EDIST enrichment (without continuous or gradual decrease between maximum E AX enrichment and distal EDIST enrichment).
  • the enrichment presents a discontinuous jump at the interface between the distal layer 20 and the intermediate layer 22 between the proximal enrichment EPROX and the maximum enrichment EMAX, then a plateau at the maximum enrichment EMAX then a continuous and/or gradual decrease between the maximum EMAX enrichment and the distal EDIST enrichment.
  • the enrichment E presents a non-continuous gradual increase between the proximal enrichment EPROX and the maximum enrichment EMAX and a continuous decrease between the maximum enrichment EMAX and the distal enrichment EDIST.
  • the enrichment E presents a continuous increase between the proximal enrichment EPROX and the maximum enrichment EMAX and a non-continuous gradual decrease between the maximum enrichment EMAX and the distal enrichment EDIST.
  • the absolute values of the slope of the linear increase and the slope of the gradual decrease are for example equal.
  • the absolute values of the slope of the linear increase and the slope of the gradual decrease are different.
  • the increase and the decrease are linear.
  • the increase is linear and the decrease is non-linear, or the increase is non-linear and the decrease is linear.
  • the proximal EPROX enrichment and the distal EDIST enrichment are substantially equal.
  • the proximal enrichment EPROX and the distal enrichment EDIST are equal to a minimal enrichment of pellet 8.
  • the EPROX proximal enrichment and the EDIST distal enrichment are different.
  • that of the proximal EPROX enrichment and the distal EDIST enrichment which is lower than the other is the minimal enrichment of the pellet 8.
  • the proximal EPROX enrichment is strictly greater than the distal EDIST enrichment.
  • the EDIST distal enrichment is the minimal enrichment of pellet 8.
  • the proximal EPROX enrichment is strictly lower than the distal EDIST enrichment.
  • the EPROX proximal enrichment is the minimal enrichment of pellet 8.
  • the enrichment presents a discontinuous jump between the proximal layer 20 and the zone of high enrichment of the intermediate layer 22 or a transition zone with a continuous and/or gradual increase between the proximal layer 20 and the zone d high enrichment, and presents a discontinuous jump between the high enrichment zone of the intermediate layer 22 and the distal layer or transition zone with a continuous and/or gradual increase between the high enrichment zone and the distal layer 24.
  • the enrichment in the high enrichment zone is constant and has a maximum enrichment plateau EMAX or varies radially, in which case the enrichment varies in the high enrichment zone for example continuously and/or gradually , for example by forming one or more trays.
  • the radially variable enrichment within the pellet 8 makes it possible to predict the quantity of fissile material required in the pellet 8 while limiting the risk of degradation of the pellet 8, in particular the “FFRD” risk.
  • a higher enrichment in the intermediate layer 22 than in the proximal layer 20 makes it possible to predict the quantity of fissile material required while limiting the risk of reaching too high a temperature in the center of the pellet 8, in particular in accident conditions.
  • a higher enrichment in the intermediate layer 22 than in the distal layer 24 makes it possible to predict the quantity of fissile material while limiting the risk of excessive combustion of the combustible material at the periphery of the pellet 8.
  • the enrichment of the pellet 8 is preferably adjusted so as to provide a required quantity of fissile material contained in the pellet 8, and preferably so as to maintain an energy equivalence between the pellet 8 and a reference pellet having an enrichment of uniform EREF reference and having substantially the same geometry, in particular having the same volume as the pellet 8.
  • a reference pellet having an enrichment of uniform EREF reference and having substantially the same geometry, in particular having the same volume as the pellet 8.
  • EREF EP OX x (FVP OX) + EMAX x (FVINT) + EDIST x (FVDIST) in which:
  • EREF is the reference enrichment of the reference pellet
  • EPROX is the enrichment of proximal layer 20
  • EMAX is the enrichment of intermediate layer 22
  • EDIST is the enrichment of distal layer 24
  • FVPROX is the volume fraction of the proximal layer 20, i.e. the ratio of the volume of the proximal layer 20 to the volume of the pellet 8;
  • FVINT is the volume fraction of the intermediate layer 22, i.e. the ratio of the volume of the intermediate layer 22 to the volume of the pellet 8;
  • FVDIST is the volume fraction of the distal layer 24, i.e. the ratio of the volume of the distal layer 24 to the volume of the pellet 8.
  • the volume fraction of the proximal layer 20 is between 5% and 20%.
  • the volume fraction of the intermediate layer 22, in particular of the high enrichment zone of the intermediate layer 22, is between 60% and 94%.
  • the volume fraction of the distal layer 24 is between 1% and 20%.
  • the enrichment in the proximal layer 20 is equal to or greater than 0.25% and/or equal to or less than 1.0%.
  • the enrichment in the distal layer 24 is equal to or greater than 0.25% and/or equal to or less than 1.0%.
  • the enrichment in the high enrichment zone of the intermediate layer 22 is equal to or greater than 1.8% and/or equal to or less than 10.0%.
  • the ratio between the maximum enrichment E AX and the proximal enrichment EPROX is for example between 1.8 and 40.
  • the ratio between the maximum enrichment EMAX and the distal enrichment EDIST is for example between 1.8 and 40. Compliance with the dimensions and/or proportions, taken individually or in combination, makes it possible to obtain a pellet 8 containing an appropriate quantity of fissile material while limiting the risks of deterioration.
  • Reducing the risk of degradation of the pellet 8 possibly makes it possible to overcome at least partially the geometric constraints of usual pellets, and in particular the presence of a chamfer at the junction between the lateral surface 14 and each end surface 16 and/or the presence of a depression in the center of each end surface 16.
  • the pad 8 can be provided with a cylindrical shape, in particular without a chamfer at the junction between the lateral surface 14 and each end surface 16 and with flat end surfaces 16.
  • the invention can also be applied to a pellet of generally cylindrical shape whose geometry differs from that of Figure 2 in that it includes a chamfer 30 at the junction between the lateral surface 14 and each end surface 16 and/or a depression 32 in the center of each end surface 16.
  • a pellet 8 comprising a matrix and a fissile material contained in the matrix with an enrichment varying radially (i.e. a concentration of fissile material varying radially) is obtained for example by sintering.
  • the enrichment is for example constant in the proximal layer 20, constant in the intermediate layer 22 and/or constant in the distal layer 24, as for example in the example of Figure 3.
  • a pellet 8 comprising a matrix and a fissile material contained in the matrix with an enrichment varying radially is obtained for example by additive manufacturing (or 3D printing) from powders, including for example a first powder consisting of the fissile material and a second powder consisting of a matrix material, the pellet 8 being manufactured additively by varying the proportions between the first powder and the second powder.
  • the pellet 8 is manufactured for example by successive concentric manufacturing layers by varying the proportions between the first powder and the second powder between the manufacturing layers.
  • Each of the concentric layers of the pellet 8 (proximal layer 20, intermediate layer 22 and distal layer 24) is formed of several superimposed manufacturing layers.
  • Each possible variation in the enrichment within the intermediate layer 22, continuous or not, is obtained by varying the proportions between the first powder and the second powder between the manufacturing layers of the intermediate layer 22.
  • Additive manufacturing is carried out for example by one or more of the following methods: selective laser sintering (or SLS from English “Selective Laser Sintering”), fusion by electron beam (or EBM from English “Electron Beam Melting”), direct metal laser sintering (or DMSL from English “Direct Metal Laser Sintering”), Direct Energy Deposition (or “Direct Energy Deposition” according to English terminology) and flash sintering (or SPS from English “Spark Plasma Sintering”).
  • selective laser sintering or SLS from English “Selective Laser Sintering”
  • fusion by electron beam or EBM from English “Electron Beam Melting”
  • direct metal laser sintering or DMSL from English “Direct Metal Laser Sintering”
  • Direct Energy Deposition or “Direct Energy Deposition” according to English terminology
  • flash sintering or SPS from English “Spark Plasma Sintering”.
  • the pellet is considered before irradiation of the pellet.
  • the pellet is considered at the end of the manufacturing of the pellet, in particular before integration of the pellet into a nuclear fuel rod and/or before use of the pellet in a nuclear reactor.
  • the enrichment values are expressed in mass percentages.

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Abstract

La pastille de combustible nucléaire est de forme symétrique de révolution autour d'un axe central (B) et contient un matériau fissile, la pastille possédant des couches concentriques incluant une couche proximale (20), une couche intermédiaire (22) et une couche distale (24), dans laquelle l'enrichissement en matériau fissile au sein de la pastille varie radialement, la couche intermédiaire (22) comprenant une zone d'enrichissement élevé dans laquelle l'enrichissement est strictement supérieur à l'enrichissement dans la couche proximale (20) et/ou à l'enrichissement dans la couche distale (24).

Description

DESCRIPTION
Pastille de combustible nucléaire à enrichissement variable radialement
La présente invention concerne le domaine du combustible nucléaire, et en particulier une pastille de combustible nucléaire destinée à être intégrée dans un crayon de combustible nucléaire.
Un cœur d’un réacteur nucléaire à eau légère ou à eau lourde est généralement formé d’une pluralité d’assemblages de combustible nucléaire disposés côte à côte, chaque assemblage de combustible nucléaire comprenant un faisceau de crayons de combustible nucléaire, chaque crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine tubulaire contenant du combustible nucléaire, la gaine étant fermée à chacune de ses deux extrémités par un bouchon.
Le combustible nucléaire est par exemple prévu sous la forme de pastilles de combustible nucléaire contenant un matériau fissile, chaque pastille étant de forme générale cylindrique, les pastilles étant empilées dans la gaine.
Au cours de la combustion d’une pastille de combustible nucléaire, il existe un risque de détérioration de la pastille, et en particulier un risque de fragmentation, de relocalisation et/ou de dispersion du combustible (ou FFRD pour « Fuel Fragmentation Relocation and Dispersion » selon la terminologie anglaise).
Ce risque est plus élevé en cas de combustion localement élevée au sein de la pastille ou de température localement élevée au sein de la pastille.
Un des buts de l’invention est de proposer une pastille de combustible nucléaire permettant de limiter le risque de détérioration de la pastille au cours de son utilisation.
A cet effet, l’invention propose une pastille de combustible nucléaire de forme symétrique de révolution autour d’un axe central et contenant un matériau fissile, la pastille possédant des couches concentriques incluant une couche proximale, une couche intermédiaire et une couche distale, dans laquelle l’enrichissement en matériau fissile au sein de la pastille varie radialement, et la couche intermédiaire comprend une zone d’enrichissement élevé dans laquelle l’enrichissement est strictement supérieur à l’enrichissement dans la couche proximale et/ou à l’enrichissement dans la couche distale.
L’enrichissement en matériau fissible variable radialement de la pastille permet d’ajuster la réactivité et la combustion au sein de la pastille de combustible nucléaire en fonction du rayon, de manière à limiter le risque de détérioration lié à une combustion localement élevée et/ou à une température localement élevée. En particulier, un enrichissement plus élevé dans une couche intermédiaire que dans une couche proximale permet de préserver une équivalence énergétique tout en limitant la température au centre de la pastille, ce qui limite le risque de fusion en situation accidentelle.
Un enrichissement plus élevé dans une couche intermédiaire que dans une couche distale permet de préserver l’équivalence énergétique tout en limitant le risque d’une combustion trop élevée dans la couche distale.
Selon des modes de réalisation particuliers, la pastille comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’enrichissement augmente avec le rayon dans une zone de la couche intermédiaire adjacente à la couche proximale ;
- l’augmentation de l’enrichissement est continue ou discontinue, et/ou graduelle ;
- l’enrichissement diminue avec le rayon dans une zone de la couche intermédiaire adjacente à la couche distale ;
- la diminution de l’enrichissement est continue ou discontinue, et/ou graduelle ;
- l’enrichissement est maximal à une interface entre la couche proximale et la couche intermédiaire ;
- l’enrichissement diminue depuis une interface entre la couche proximale et la couche intermédiaire jusqu’à une interface entre la couche intermédiaire et la couche distale ;
- la diminution de l’enrichissement est continue ou discontinue, et/ou graduelle ;
- l’enrichissement présente un plateau d’enrichissement maximal dans la couche intermédiaire ;
- l’enrichissement est constant dans la couche intermédiaire ;
- l’enrichissement dans la couche proximale est égal ou supérieur à 0,25 % et/ou égal ou inférieur à 1 ,0 % et/ou l’enrichissement dans la couche distale est égal ou supérieur à 0,25 % et inférieur ou égal à 1 ,0 % ;
- l’enrichissement dans la zone d’enrichissement élevé est égal ou supérieur à 1 ,8 % et/ou inférieur ou égal à 10,0 % ;
- la couche intermédiaire représente une fraction volumique de la pastille comprise entre 60 % et 94 % et/ou la couche proximale représente une fraction volumique de la pastille comprise entre 5 % et 20 % et/ou la couche distale représente une fraction volumique de la pastille comprise entre 1 % et 20 %.
L’invention concerne également un crayon de combustible nucléaire, comprenant une gaine tubulaire contenant des pastilles telles que défini ci-dessus. L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique en coupe d’un crayon de combustible nucléaire comprenant des pastilles de combustible nucléaire ;
- la Figure 2 est une vue schématique en coupe d’une pastille de combustible nucléaire ;
- les Figures 3 à 6 sont des graphiques illustrant différents profils d’enrichissement d’une pastille de combustible nucléaire en fonction du rayon ;
- la Figure 7 est une vue schématique en coupe d’une pastille de combustible nucléaire selon un autre exemple de réalisation.
La Figure 1 illustre un crayon de combustible nucléaire 2 destiné à être utilisé dans un réacteur à eau légère, en particulier un réacteur à eau sous pression (ou PWR pour « Pressurized Water Reactor ») ou un réacteur à eau bouillante (ou BWR pour « Boiling Water Reactor »), un réacteur de type « VVER », un réacteur de type « RBMK », un réacteur à eau lourde, par exemple de type « CANDU ».
Le crayon de combustible nucléaire 2 est allongé suivant un axe longitudinal A.
Le crayon de combustible nucléaire 2 comprend une gaine 4 contenant du combustible nucléaire. La gaine 4 est tubulaire et s’étend suivant l’axe longitudinal A. La gaine 4 est fermée de manière étanche à chacune de ses extrémités par un bouchon 6.
Le combustible nucléaire se présente sous la forme d’un empilement de pastilles 8 de combustible nucléaire empilées axialement à l’intérieur de la gaine 4, chaque pastille 8 contenant du matériau fissile. L’empilement de pastilles 8 est aussi appelée « colonne fissile ».
Le crayon de combustible nucléaire 2 comprend un ressort 10 disposé à l’intérieur de la gaine 4, entre l’empilement de pastilles 8 et l’un des bouchons 6, pour pousser l’empilement de pastilles 8 vers l’autre bouchon 6. Un vide ou plenum 12 est présent entre l’empilement de pastilles 8 et le bouchon 6 sur lequel le ressort 10 prend appui.
Les pastilles 8 sont analogues et une seule des pastilles 8 sera décrite plus en détail pas la suite, en référence notamment à la Figure 2.
Comme illustré sur la Figure 2, la pastille 8 présente une forme de révolution autour d’un axe central B.
La pastille 8 présente de préférence une forme générale cylindrique de section transversale circulaire centrée sur l’axe central B. La pastille 8 possède une surface latérale 14 et deux surfaces d’extrémité 16 opposées.
La surface latérale 14 s’étend suivant l’axe central B. La surface latérale 14 est cylindrique de section transversale circulaire centrée sur l’axe central B.
Chaque surface d’extrémité 16 s’étend depuis un bord d’extrémité de la surface latérale 14 vers l’axe central B.
Chaque surface d’extrémité 16 est par exemple sensiblement plane et perpendiculaire à l’axe central B.
La pastille 8 contient un matériau fissile, le matériau fissile étant de préférence du dioxyde d’uranium (UO2).
La pastille 8 comprend par exemple une matrice réalisée dans un matériau de matrice et le matériau fissile réparti dans la matrice.
La pastille 8 possède plusieurs couches concentriques.
En particulier, la pastille 8 possède une couche proximale 20, une couche intermédiaire 22 et une couche distale 24 concentriques.
La couche proximale 20 est la couche de la pastille 8 qui est radialement la plus proche de l’axe central B, et en particulier qui inclut l’axe central B. La couche proximale 20 est la couche radialement la plus interne de la pastille 8.
La couche distale 24 est la couche de la pastille 8 qui est radialement la plus éloignée de l’axe central B. La couche distale 24 est la couche radialement la plus externe de la pastille 8. La couche distale 24 est la couche superficielle de la pastille 8.
La couche intermédiaire 22 est située radialement entre la couche proximale 20 et la couche distale 24.
La couche proximale 20 s’étend radialement jusqu’à un premier rayon R1 , la couche intermédiaire 22 s’étend radialement entre le premier rayon R1 et un deuxième rayon R2, et la couche distale 24 s’étend radialement entre le deuxième rayon R2 et un troisième rayon R3.
Le troisième rayon R3 est le rayon externe de la pastille 8, i.e. le rayon de la surface latérale 14.
La pastille 8 présente par exemple une hauteur H, prise suivant l’axe central B, comprise entre 9 mm et 13 mm et/ou un diamètre externe D compris entre 7 mm et 10 mm.
Chacune des couches concentriques de la pastille 8 présente une épaisseur prise radialement.
La couche proximale 20 présente par exemple une épaisseur comprise entre 700 pm et 2300 pm. L’épaisseur de la couche proximale 20 est égale au premier rayon R1 . La couche intermédiaire 22 présente une épaisseur comprise entre 1 ,5 mm et 3,9 mm. L’épaisseur de la couche intermédiaire est égale à la différence entre le deuxième rayon R2 et le premier rayon R1
La couche distale 24 présente par exemple une troisième épaisseur comprise entre 17 pm et 528 pm. L’épaisseur de la couche distale 24 est égale à la différence entre le troisième rayon R3 et le deuxième rayon R2.
La pastille 8 présente une concentration en matériau fissile ou « enrichissement ».
L’enrichissement de la pastille 8 varie radialement, i.e. en fonction de la distance à l’axe central B de la pastille 8.
De préférence, l’enrichissement de la pastille 8 varie uniquement radialement. L’enrichissement de la pastille 8 ne varie pas axialement ni circonférentiellement. Pour un rayon donné, l’enrichissement est le même sur toute la hauteur de la pastille 8 et sur toute la circonférence de la pastille 8.
La couche intermédiaire 22 possède une zone d’enrichissement élevé dans laquelle l’enrichissement est strictement plus élevé que dans la couche proximale 20 et/ou dans la couche distale 24, de préférence strictement plus élevé que dans la couche proximale 20 et dans la couche distale 24.
La zone d’enrichissement élevé s’étend par exemple sur toute l’étendue radiale de la couche intermédiaire 22, par exemple si l’enrichissement est constant dans la couche intermédiaire, ou sur une fraction de l’étendue radiale de la couche intermédiaire 22, par exemple si l’enrichissement varie au sein de la couche intermédiaire 22.
De préférence, l’enrichissement présente dans la couche intermédiaire 22, et en particulier dans la zone d’enrichissement élevé, un enrichissement maximal EMAX.
Les Figures 3 à 7 sont des graphiques illustrant différents exemples de profils d’enrichissement E de la pastille 8 en fonction du rayon R, i.e. en fonction de la distance à l’axe central B de la pastille 8.
Dans l’exemple de la Figure 3, la couche proximale 20 présente un enrichissement proximal EPROx constant dans la couche proximale 20, un enrichissement constant dans la couche intermédiaire 22 et un enrichissement distal EDIST constant dans la couche distale 24.
L’enrichissement dans la couche intermédiaire 22 est strictement plus élevé que l’enrichissement proximal EPROX de la couche proximale 20 et que l’enrichissement distal EDIST de la couche distale 24.
L’enrichissement dans la couche intermédiaire 22 correspond à l’enrichissement maximal EMAX de la pastille 8. La couche intermédiaire 22 possède un plateau d’enrichissement maximal EMAX qui s’étend sur toute l’étendue de la couche intermédiaire 22.
La zone d’enrichissement élevé de la couche intermédiaire 22 correspond à l’ensemble de la couche intermédiaire 22. L’enrichissement est élevé sur toute l’étendue radiale de la couche intermédiaire 22, i.e. entre le premier rayon R1 et le deuxième rayon R2.
L’enrichissement proximal EPROX de la couche proximale 20 et l’enrichissement distal EDIST de la couche distale 24 sont par exemple égaux.
En variante, l’enrichissement proximal EPROX de la couche proximale 20 et l’enrichissement distal EDIST de la couche distale 24 sont différents, l’un étant strictement plus élevé que l’autre.
Dans l’exemple de la Figure 3, le profil d’enrichissement présente un saut non continu à l’interface entre la couche proximale 20 et la couche intermédiaire 22, entre l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement maximal EMAX, et un saut non continu à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24, entre l’enrichissement intermédiaire E AX et l’enrichissement distal EDIST.
Il est possible de prévoir une variation continue et/ou graduelle de l’enrichissement.
En particulier, la couche intermédiaire 22 comprend en option une zone de transition avec variation continue et/ou graduelle de l’enrichissement entre la zone d’enrichissement élevé et la couche proximale 20 et/ou une zone de transition avec une variation continue et/ou graduelle de l’enrichissement entre la zone d’enrichissement élevé et la couche distale 24.
Dans un exemple de réalisation illustré sur la Figure 4, l’enrichissement augmente continûment avec le rayon (i.e. avec la distance à l’axe central B) dans une zone de la couche intermédiaire 22 adjacente à la couche proximale 20, jusqu’à la zone d’enrichissement élevé de la couche intermédiaire 22, par exemple de l’enrichissement proximal EPROX jusqu’à l’enrichissement maximal EMAX. L’augmentation est continue.
L’augmentation est par exemple linéaire. En variante, l’augmentation est non- linéaire.
Ladite zone de la couche intermédiaire 22 adjacente à la couche proximale 20 définit une zone de transition entre la couche proximale 20 et la zone d’enrichissement élevé.
En variante ou en option, comme illustré sur la Figure 4, l’enrichissement diminue continûment avec le rayon dans une zone de la couche intermédiaire 22 adjacente à la couche distale 24, par exemple de l’enrichissement maximal EMAX jusqu’à l’enrichissement distale EDIST. La diminution est continue.
La diminution est par exemple linéaire. En variante, la diminution est non linéaire.
Ladite zone de la couche intermédiaire 22 adjacente à la couche proximale 20 définit une zone de transition et la zone d’enrichissement élevé.
Dans un exemple de réalisation particulier, au sein de la couche intermédiaire 22, l’enrichissement augmente continûment avec le rayon dans la zone adjacente à la couche proximale, depuis l’enrichissement proximal EPROX jusqu’à l’enrichissement maximal EMAX, puis reste constant, puis diminue continûment dans la zone adjacente à la couche distale 24 jusqu’à atteindre l’enrichissement distal EDIST.
Comme illustré sur la Figure 4, le profil d’enrichissement présente une portion croissante depuis l’enrichissement proximal EPROX jusqu’à un plateau d’enrichissement maximal E AX, puis une portion décroissante depuis le plateau d’enrichissement maximal EMAX jusqu’à l’enrichissement distal EDIST.
La portion croissante est linéaire. Elle présente la forme d’une rampe montante de pente constante. En variante, la portion croissante est non-linéaire. Elle présente une pente variable.
La portion décroissante est linéaire. Elle présente la forme d’une rampe descendante de pente constante. En variante, la portion décroissante est non-linéaire. Elle présente une pente variable.
Dans un exemple de réalisation, l’enrichissement présente une augmentation graduelle.
Une augmentation graduelle est par exemple réalisée avec un ou plusieurs paliers intermédiaires. Une augmentation graduelle est réalisée par exemple de manière continue (avec une rampe entre deux paliers successifs) et/ou non continue (avec un saut discontinu entre deux paliers successifs).
Dans un exemple de réalisation, l’enrichissement présente une diminution graduelle.
Une diminution graduelle est par exemple réalisée avec un ou plusieurs paliers intermédiaires. Une diminution graduelle est réalisée par exemple de manière continue (avec une rampe entre deux paliers successifs) et/ou non continue (avec un saut entre deux paliers successifs).
Le profil d’enrichissement illustré sur la Figure 5 diffère de celui de la Figure 4 en ce que l’augmentation entre l’enrichissement proximal EPROX et le plateau d’enrichissement maximal EMAX est graduelle, ici avec deux paliers intermédiaires, et en ce que la diminution entre le plateau d’enrichissement maximal EMAX et l’enrichissement distal EDIST est graduelle, ici avec deux paliers intermédiaires.
Le profil d’enrichissement ne présente pas nécessairement un plateau d’enrichissement maximal dans la couche intermédiaire 22.
Le profil d’enrichissement peut augmenter dans la couche intermédiaire 22 de l’enrichissement proximal EPROX jusqu’à l’enrichissement maximal EMAX et/ou diminuer de l’enrichissement maximal E AX à l’enrichissement distal EDIST, en présentant une zone d’enrichissement élevé dans laquelle l’enrichissement est strictement supérieur à l’enrichissement proximal EPROX et/ou à l’enrichissement distal EDIST.
Dans un exemple de réalisation illustré sur la Figure 6, l’enrichissement est maximal à l’interface entre la couche proximale 20 et la couche intermédiaire 22 puis diminue progressivement jusqu’à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24.
L’enrichissement diminue ici continûment, et en particulier linéairement, jusqu’à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24. En variante, l’enrichissement diminue graduellement jusqu’à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24.
Dans une variante, l’enrichissement maximal EMAX est atteint à proximité de l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24, avec une variation continue ou discontinue et/ou graduelle entre l’enrichissement proximal EPROX à l’enrichissement maximal EMAX, de préférence sur une faible épaisseur, par exemple une épaisseur comprise entre 50 pm et 500 pm.
L’enrichissement à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24 est ici strictement supérieur à l’enrichissement distal EDIST. L’enrichissement présente un saut non continu à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24.
En variante, comme illustré en traits mixtes sur le Figure 6, l’enrichissement diminue dans la couche intermédiaire 22 jusqu’à atteindre l’enrichissement distale EDIST à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24.
La couche intermédiaire 22 présente dans ce cas une zone d’enrichissement élevé suivie d’une zone de transition entre la zone d’enrichissement élevé et la couche distale 24.
L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus et illustrés sur les Figures 3 à 6, d’autres exemples de réalisation étant envisageables, en particulier des combinaisons des exemples de réalisation des Figures 3 à 6.
Dans un exemple de réalisation, l’enrichissement présente dans la couche intermédiaire 22 une augmentation continue et/ou graduelle entre l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement maximal EMAX, puis un plateau à l’enrichissement maximal EMAX jusqu’à l’interface entre la couche intermédiaire 22 et la couche distale 24 où l’enrichissement présente un saut discontinu entre l’enrichissement maximal EMAX et l’enrichissement distal EDIST (sans diminution continue ou graduelle entre l’enrichissement maximal E AX et l’enrichissement distal EDIST).
Dans un exemple de réalisation, l’enrichissement présente un saut discontinu à l’interface entre la couche distale 20 et la couche intermédiaire 22 entre l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement maximal EMAX, puis un plateau à l’enrichissement maximal EMAX puis une diminution continue et/ou graduelle entre l’enrichissement maximal EMAX et l’enrichissement distal EDIST.
Par ailleurs, il est possible de combiner une augmentation continue avec une diminution non continue et une augmentation non continue avec une diminution continue.
Dans un exemple de réalisation dans lequel l’enrichissement E présente une augmentation graduelle non continue entre l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement maximal EMAX et une diminution continue entre l’enrichissement maximal EMAX et l’enrichissement distal EDIST.
Dans un exemple de réalisation, l’enrichissement E présente une augmentation continue entre l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement maximal EMAX et une diminution graduelle non continue entre l’enrichissement maximal EMAX et l’enrichissement distal EDIST.
Dans un exemple de réalisation dans lequel l’enrichissement présente une augmentation linéaire et une diminution linéaire, les valeurs absolues de la pente de l’augmentation linéaire et de la pente de la diminution graduelle sont par exemple égales.
En variante, les valeurs absolues de la pente de l’augmentation linéaire de la pente de la diminution graduelle sont différentes.
Dans un exemple de réalisation dans lequel l’enrichissement présente une augmentation continue et une diminution continue, l’augmentation et la diminution sont linéaires. En variante, l’augmentation est linéaire et la diminution non-linéaire, ou l’augmentation est non-linéaire et la diminution est linéaire.
Dans un exemple de réalisation, et comme illustré sur les Figures 3 à 6, l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement distal EDIST sont sensiblement égaux.
Dans ce cas, de préférence, l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement distal EDIST sont égaux à un enrichissement minimal de la pastille 8.
En variante, l’enrichissement proximal EPROX et l’enrichissement distal EDIST sont différents. Dans ce cas, de préférence, celui de l’enrichissement proximal EPROX et de l’enrichissement distal EDIST qui est inférieur à l’autre est l’enrichissement minimal de la pastille 8.
Dans un exemple de réalisation, l’enrichissement proximal EPROX est strictement supérieur à l’enrichissement distal EDIST. Dans ce cas, de préférence, l’enrichissement distal EDIST est l’enrichissement minimal de la pastille 8.
Dans un exemple de réalisation, l’enrichissement proximal EPROX est strictement inférieur à l’enrichissement distal EDIST. Dans ce cas, de préférence, l’enrichissement proximal EPROX est l’enrichissement minimal de la pastille 8.
De manière générale, l’enrichissement présente un saut discontinu entre la couche proximale 20 et la zone d’enrichissement élevé de la couche intermédiaire 22 ou une zone de transition avec une augmentation continue et/ou graduelle entre la couche proximale 20 et la zone d’enrichissement élevé, et présente un saut discontinu entre la zone d’enrichissement élevé de la couche intermédiaire 22 et la couche distale ou zone de transition avec une augmentation continue et/ou graduelle entre la zone d’enrichissement élevé et la couche distale 24.
En outre, l’enrichissement dans la zone d’enrichissement élevé est constant et présente un plateau d’enrichissement maximal EMAX ou varie radialement, auquel cas l’enrichissement varie dans la zone d’enrichissement élevé par exemple de manière continue et/ou graduelle, en formant par exemple un ou plusieurs plateaux.
L’enrichissement variable radialement au sein de la pastille 8 permet de prévoir la quantité de matériau fissile requise dans la pastille 8 tout en limitant le risque de dégradation de la pastille 8, en particulier le risque « FFRD ».
Un enrichissement plus élevé dans la couche intermédiaire 22 que dans la couche proximale 20 permet de prévoir la quantité de matériau fissile requise en limitant le risque d’atteindre une température trop élevée au centre de la pastille 8, en particulier en conditions accidentelles.
Un enrichissement plus élevé dans la couche intermédiaire 22 que dans la couche distale 24 permet de prévoir la quantité de matériau fissile en limitant le risque d’une combustion trop élevée du matériau combustible à la périphérie de la pastille 8.
L’enrichissement de la pastille 8 est de préférence ajusté de manière à prévoir une quantité requise de matériau fissile contenu dans la pastille 8, et de préférence de manière à conserver une équivalence énergétique entre la pastille 8 et une pastille de référence présentant un enrichissement de référence EREF uniforme et possédant sensiblement la même géométrie, en particulier possédant le même volume que la pastille 8. En considérant l’exemple de profil d’enrichissement de la Figure 3, l’équation suivante doit être respectée :
EREF = EP OX x (FVP OX) + EMAX x (FVINT) + EDIST x (FVDIST) dans laquelle :
EREF est l’enrichissement de référence de la pastille de référence ;
EPROX est l’enrichissement de la couche proximale 20 ;
EMAX est l’enrichissement de la couche intermédiaire 22 ;
EDIST est l’enrichissement de la couche distale 24 ;
FVPROX est la fraction volumique de la couche proximale 20, i.e. le rapport du volume de la couche proximale 20 sur le volume de la pastille 8 ;
FVINT est la fraction volumique de la couche intermédiaire 22, i.e. le rapport du volume de la couche intermédiaire 22 sur le volume de la pastille 8 ; et
FVDIST est la fraction volumique de la couche distale 24, i.e. le rapport du volume de la couche distale 24 sur le volume de la pastille 8.
Dans un exemple particulier dans lequel EREF = 4%, EPROX = EDIST = 0,3%, FVPROX = 10%, FVDIST = 5 % et FVINT = 85 %, on obtient un enrichissement maximal EMAX = 4,65%.
De préférence, la fraction volumique de la couche proximale 20 est compris entre 5 % et 20 %.
De préférence, la fraction volumique de la couche intermédiaire 22, en particulier de la zone d’enrichissement élevé de la couche intermédiaire 22, est compris entre 60% et 94 %.
De préférence, la fraction volumique de la couche distale 24 est compris entre 1 % et 20 %.
De préférence, l’enrichissement dans la couche proximale 20 est égal ou supérieur à 0,25 % et/ou égal ou inférieur à 1 ,0 %.
De préférence, l’enrichissement dans la couche distale 24 est égal ou supérieur à 0,25 % et/ou égal ou inférieur à 1 ,0 %.
De préférence, l’enrichissement dans la zone d’enrichissement élevé de la couche intermédiaire 22 est égal ou supérieur à 1 ,8 % et/ou égal ou inférieur à 10,0 %.
De préférence, le ratio entre l’enrichissement maximal E AX et l’enrichissement proximal EPROX est par exemple compris entre 1 ,8 et 40.
De préférence, le ratio entre l’enrichissement maximal EMAX et l’enrichissement distal EDIST est par exemple compris entre 1 ,8 et 40. Le respect des dimensions et/ou des proportions, prises individuellement ou en combinaison, permet d’obtenir une pastille 8 contenant une quantité de matériau fissile appropriée tout en limitant les risques de détérioration.
La réduction du risque de dégradation de la pastille 8 permet éventuellement de s’affranchir au moins partiellement des contraintes géométriques des pastilles usuelles, et en particulier de la présence d’un chanfrein à la jonction entre la surface latérale 14 et chaque surface d’extrémité 16 et/ou de la présence d’une dépression au centre de chaque surface d’extrémité 16.
Comme illustré notamment sur la Figure 2, la pastille 8 peut être prévue avec une forme cylindrique, en particulier sans chanfrein à la jonction entre la surface latérale 14 et chaque surface d’extrémité 16 et avec des surfaces d’extrémité 16 plane.
Ceci permet de simplifier la fabrication de la pastille 8.
Comme illustré sur la Figure 7, l’invention peut aussi s’appliquer à une pastille de forme générale cylindrique dont la géométrie diffère de celle de la Figure 2 en ce qu’elle comprend un chanfrein 30 à la jonction entre la surface latérale 14 et chaque surface d’extrémité 16 et/ou une dépression 32 au centre de chaque surface d’extrémité 16.
Une pastille 8 comprenant une matrice et un matériau fissile contenu dans la matrice avec un enrichissement variant radialement (i.e. une concentration en matériau fissile variant radialement) est obtenue par exemple par frittage.
Dans ce cas, l’enrichissement est par exemple constant dans la couche proximale 20, constant dans la couche intermédiaire 22 et/ou constant dans la couche distale 24, comme par exemple dans l’exemple de la Figure 3.
En variante, une pastille 8 comprenant une matrice et un matériau fissile contenu dans la matrice avec un enrichissement variant radialement est obtenue par exemple par fabrication additive (ou impression 3D) à partir de poudres, incluant par exemple une première poudre constituée du matériau fissile et d’une deuxième poudre constituée d’un matériau de matrice, la pastille 8 étant fabriquée additivement en faisant varier les proportions entre la première poudre et la deuxième poudre.
La pastille 8 est fabriquée par exemple par couches de fabrication concentriques successives en faisant varier les proportions entre la première poudre et la deuxième poudre entre les couches de fabrication.
Chacune des couches concentriques de la pastille 8 (couche proximale 20, couche intermédiaire 22 et couche distale 24) est formée de plusieurs couches de fabrication superposées.
Chaque éventuelle variation de l’enrichissement au sein de la couche intermédiaire 22, continue ou non, est obtenue en faisant varier les proportions entre la première poudre et la deuxième poudre entre les couches de fabrication de la couche intermédiaire 22.
La fabrication additive est réalisée par exemple par une ou plusieurs parmi les méthodes suivantes : frittage sélectif par laser (ou SLS de l’anglais « Selective Laser Sintering »), fusion par faisceau d’électron (ou EBM de l’anglais « Electron Beam Melting »), frittage direct de métal par laser (ou DMSL de l’anglais « Direct Metal Laser Sintering »), Dépôt direct par énergie (ou « Direct Energy Deposition » selon la terminologie anglaise) et frittage flash (ou SPS de l’anglais « Spark Plasma Sintering »).
Dans ce qui précède, la pastille est considérée avant irradiation de la pastille. La pastille est considérée à l’issue de la fabrication de la pastille, en particulier avant intégration de la pastille dans un crayon de combustible nucléaire et/ou avant utilisation de la pastille dans un réacteur nucléaire. Les valeurs d’enrichissement sont exprimées en pourcentages massiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pastille de combustible nucléaire de forme symétrique de révolution autour d’un axe central (B) et contenant un matériau fissile, la pastille possédant des couches concentriques incluant une couche proximale (20), une couche intermédiaire (22) et une couche distale (24), dans laquelle l’enrichissement en matériau fissile au sein de la pastille varie radialement, et la couche intermédiaire (22) comprend une zone d’enrichissement élevé dans laquelle l’enrichissement est strictement supérieur à l’enrichissement dans la couche proximale (20) et/ou strictement supérieur à l’enrichissement dans la couche distale (24).
2. Pastille selon la revendication 1 , dans laquelle l’enrichissement augmente avec le rayon dans une zone de la couche intermédiaire (22) adjacente à la couche proximale (20).
3. Pastille selon la revendication 2, dans laquelle l’augmentation de l’enrichissement est continue ou discontinue, et/ou graduelle.
4. Pastille selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’enrichissement diminue avec le rayon dans une zone de la couche intermédiaire (22) adjacente à la couche distale (20).
5. Pastille selon la revendication 4, dans laquelle la diminution de l’enrichissement est continue ou discontinue, et/ou graduelle.
6. Pastille selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’enrichissement est maximal à une interface entre la couche proximale (20) et la couche intermédiaire (22).
7. Pastille selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’enrichissement diminue depuis une interface entre la couche proximale (20) et la couche intermédiaire (22) jusqu’à une interface entre la couche intermédiaire (22) et la couche distale (24).
8. Pastille selon la revendication 7, dans laquelle la diminution de l’enrichissement est continue ou discontinue, et/ou graduelle.
9. Pastille selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’enrichissement présente un plateau d’enrichissement maximal dans la couche intermédiaire (24).
10. Pastille selon la revendication 1 , dans laquelle l’enrichissement est constant dans la couche intermédiaire (24).
11. Pastille selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’enrichissement dans la couche proximale (20) est, en pourcentage massique, égal ou supérieur à 0,25 % et/ou égal ou inférieur à 1 ,0 % et/ou l’enrichissement dans la couche distale (24) est égal ou supérieur à 0,25 % et inférieur ou égal à 1 ,0 %.
12. Pastille selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’enrichissement dans la zone d’enrichissement élevé est, en pourcentage massique, égal ou supérieur à 1 ,8 % et/ou inférieur ou égal à 10,0 %.
13. Pastille selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la couche intermédiaire (22) représente une fraction volumique de la pastille comprise entre 60 % et 94 % et/ou la couche proximale (20) représente une fraction volumique de la pastille comprise entre 5 % et 20 % et/ou la couche distale (24) représente une fraction volumique de la pastille comprise entre 1 % et 20 %.
14. Crayon de combustible nucléaire, comprenant une gaine tubulaire contenant des pastilles selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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