FR2526989A1 - Barreau combustible a haute utilisation d'uranium pour des reacteurs nucleaires a eau legere - Google Patents

Abstract

LE BARREAU COMBUSTIBLE SELON L'INVENTION COMPORTE UNE REGION CENTRALE AVEC DES PASTILLES COMBUSTIBLES D'UN PREMIER ENRICHISSEMENT DE COMBUSTIBLE FISSIBLE ET EN SON VOISINAGE, DES REGIONS DE PASTILLES 3 DE FAIBLE DENSITE INFERIEURE A CELLE DES PASTILLES COMBUSTIBLES DE LA REGION CENTRALE ET, A AU MOINS UNE EXTREMITE DU BARREAU, UNE REGION DE PASTILLES DE MANTEAU 5 D'UN SECOND ENRICHISSEMENT INFERIEUR AU PREMIER ET CONTENANT DES SUBSTANCES FERTILES.

Description

Barreau combustible à haute utilisation d'uranium pour

des réacteurs nucléaires à eau légère.

La présente invention se rapporte aux barreaux combustibles pour des éléments combustib Les utilisés dans

des réacteurs nucléaires à eau légère.

Des éléments pour des réacteurs nucléaires à eau légère comprennent un réseau de barreaux cylindriques ap-

pelés des barreaux combustibles Chaque barreau combusti-

ble contient une pile de pastilles faites d'une matière

fissile comme de l'uranium, spécialement de l'uranium 235.

La réaction qui produit de l'énergie dans un réac-

teur nucléaire est la fission des atomes d'uranium provo-

quiée par des neutrons Le taux de réaction de fission a

une distribution spatiale qui est modifiée par la distri-

bution du flux des neutrons Etant donné que la distribu-

tion des neutrons produisant une fission est à peu près cosinuso Idale suivant l'axe des barreaux combustibles, la distribution d'appauvrissement du combustible fissible, ou tauk de combustion, suivant la longueur d'un barreau combustible n'est pas uniforme, le taux de combustion

étant inférieur aux extrémités du barreaux qu'er son cen-

tre C'est là une mauvaisse utilisation de l'uranium 235

aux extrémités du barreau combustible.

2 2526989

Une amélioration bien connue consiste à ajouter des pastilles contenant de l'uranium enrichi naturellement ( 0,711 pour cent en poids de U-235 dans U-238) ou de l'uranium appauvri (contenant moins de 0,711 pour cent en poids de U/235) aux extrémités du barreau Ces pastilles sont appelées des pastilles de nanteau axial et elles ont pour fonction de produire du plutonium par l'absorption de neutrons par l'uranium 238 Etant donné que le plutonium est fissible, les pastilles de nmanteau améliorent quelque

peu la distribution du taux de combustion.

L'objet essentiel de l'invention est donc de pro-

poser un barreau combustible qui améliore la distribution

axiale du taux de combustion.

Conpte tenu de cet objet, l'invention concerne

un barreau combustible perfectionné pour un élément com-

bustible destiné à un réacteur nucléaire, ce barreau com-

bustible comprenant une pile axiale de pastilles, cette pile de pastille comprenant une région centrale avec des pastilles de combustible d'un premier enri Dhú:ss ament en combustible fissible, caractérisé en ce que, au voisinage

de cette région centrale sont prévues des régions de pas-

tilles de faible densité ayant une densité totale en com-

bustible, exprimée en unités de masse de combustible par

unité de longueur axiale, inférieure à la densité des pas-

tilles combustibles dans la ré,ion centrale et qu'au moins à une extrémité axiale du barreau est prévue une région de pastilles de manteau d'un second enrichissement inférieur

au premier enrichissement et contenant des substances fer-

tiles. Avec cette disposition, une haute utilisation

d'uranium est obtenue car la plus faible densité du com-

bustible d'extrémité du barreau distribue de façon favora-

ble le flux des neutrons et le taux de combustion du com-

bustible.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention apparattront au cours de La description qui va

suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: La Figure I est une courbe de distribution

axiale de taux de combustion, antérieure et selon l'in-

vention, la Figure 2 représente schématiquement un barreau combustible, et

la Figure 3 représente schématique lent une pas-

tille de combustible de faible densité, Un barreau combustible à haute utilisation d'uranium selon l'invention améliore la distribution du

flux des neutrons et par conséquent, la distribution ré-

sultante du taux de combustion, à peu près comme le montre

la Figure 1 sur laquelle la courbe 1 représente la distri-

bution axiale du taux de combustion se on la technique an-

térieure et la courbe 2 la distribution axiale de taux de combustion avec la nouvelle réalisation L'avantage de cette amélioration est la grande réduction de différence de taux de combustion entre le milieu et les extrémités

du barreau, selon la courbe 1 et la courbe 2.

Le barreau combustible à haute utilisation d' ura-

nium apporte même une amélioration au concept de manteau

axial Un manteau axial est encore utilisé mais des pas-

tilles combustibles 3 de faible densité sont également prévues aux extrémités du barreau combustible 4 comrme le montre la Fig 2 Le barreau combustible 4 de la Figure 2 consiste en une pile de pastilles dans une gaine tubulaire R, cette pile de pastillescornportant deux régions de

"pastilles standard" 6, deux régions de "pastilles de man-

teau" 5 (une à chaque extrémité du barreau 4) et deux ré-

gions de pastilles "de densité réduite" 3 La Figure 2

montre égalerient une région 7 de pastilles standard "en op-

tion".

Les pastilles combustibles 3 de faible densité peuvent Otre des pastilles annulaires creuses ( 9 sur la

Figure 3), des pastilles de plus faible densité, des pas-

tilles plus petites ou autres dispositions réduisant la charge en uranium par unité de longueur l enrichisse- ment U-235 de ces pastilles 3 de faible densité peut être le mmre que celui des pastilles standard 6 et 7 du mime

barreau, mais cela n'est pas nécessaire.

La figure 3 représente schématiquement une pas-

tille annulaire 9, creuse au centre Ce mode de réalisa-

tion, ainsi que d'autres conceptions mentionnées ci-des-

sus, conduisent à une plus faible densité d'uranium par unité de longueur axiale du barreau 4, par rapport à la

densité dans les régions 6 et 7.

Les caractéristiques des pastilles utilisées dans les différentes régions sont résumées dans le tableau I ci-après. Pastilles de mantes Pastilles de densité ( 3) faible Pastilles standard Pastilles standard option( 7)

Tableau I

Qu ( 5) Pastilles Uo 2 standaxd avec un faible enrichissement de U-235 ou pastilles de thorium Pastilles U 02 enrichies U-235

avec une charge d'uranium linéai-

re plus faible que des pastilles standard, des pastilles de faible

densité, de plus petites pastil-

les etc. ( 6) Pastilles U 02 enrichies U-235 de la variété normalement utilisée dans les réacteurs à eau légère en Pastilles U 02 enrichies U235 de la variété normalement utilisée dans des réacteurs à eau légère

avec addition d'une natière d'ab-

sorption consor,"able Cette der-

nière peut être une matière commne du gadolinium, bore, B 4 C, Zr B 2, etc. L'amélioration de l'utilisation de l'uranium dans

les extrémités supérieure et inférieure du barreau com-

bustible par l'inclusion de pastilles 3 de faible densité résulte de variations d'utilisation de neutrons, en raison du changement de rapport local du combustible (uranium) au modérateur (hydrogène); un rapport appelé rapport H/U

par les ingénieurs nucléaires Moins de neutrons s'échap-

l O pent de la région combustible sans engager des réactions

de fission avec un rapport H/U réduit.

Un mode préféré de réalisation de l'invention est

décrit par le tableau II ci-après.

Tableau II

Pastilles de manteau Pile de 100 mm de pastilles en-

(région 5) richies à 0,711 pour cent en poids ayant une densité de: 0, 4949 20 atomes/cm 3 (U-235) 6,8257 21 atomes/cm 3 (U-238)

Pastilles de faible den Pile de 100 mmn de pastilles en-

sité (région 3) richies à 3,606 % en poids ayant une densité de: 2,1333 20 atomes/cm 3 t U-235) ,6305 21 atomes/cm 3 (U-238) Pastilles standard Pile de 3250 mm de pastilles (régions 6 et 7) enrichies à 3,606 % en poids ayant une densité de: 2,5098 20 atomes/cm 3 (U-235) 6,6242 21 atomes/cm 3 (U-238)

6 2526989

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 Barreau comibustible perfectionné pour un élé-

mlent combustible destiné à un réacteur nucléaire, ce bar-

reau colibustible comportant une pile axiale de pastilles, ladite pile de pastille comllprenant une région centrale avec d es pastilles combustibles d'un premier enrichisse- ment de combustible fissible, caractérisé en ce que, au

voisinage de ladite région centrale, sont prévues des ré-

pions de pastilles ( 3) de faible densité ayant une densi-

té totale en combustible, exprimée en unités de masse de combustible par unité de longueur axiale, inférieure à la densité desdites pastilles combustibles dans ladite région

centrale, et en ce qu'au moins à une extrémité axiale du-

dit barreau est prévue une région de pastilles de manteaus

( 5) d'un second enrichissement inférieur audit premier en-

richissement et contenant des substances fertiles.

2 Barreau combustible selon la revendication 1.

caractérisé en ce que les pastilles combustibles dudit pre-

mier enrichissement contiennent également une matière d'ab-

sorption combustible ( 7) choisie dans le groupe comprenant

le gadolinium, le bore, B 4 C et Zr B 2.

3 Barreau combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites pastilles combustibles ( 3) de faible densité sont des cylindres annulaires ( 9) comportant un trou central axiale,-ent, dont la présence

réduit leur densité linéaire.

4 Barreau combustible selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites pas-

tilles ( 3) de faible densité ont un diamètre réduit par

rapport auxdites pastilles combustibles.