FR3122027A1 - Pastille combustible comprenant un insert métallique perfectionné - Google Patents

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Abstract

Pastille combustible comprenant un insert métallique perfectionné. L’invention concerne une pastille combustible (1) présentant un axe central (A) d’extension principale, et comprenant un matériau combustible (10) nucléaire fissile, et au moins un insert (11) métallique comprenant une pluralité de plaques (111) transversales. Chaque plaque (111) présente un volume solide supérieur à 50% du volume total de la plaque (111) et une épaisseur sensiblement comprise entre 0,2 et 1,5 mm. L’insert (11) est configuré pour représenter une proportion comprise entre 5 % et 15 % du volume total de la pastille combustible (1). En outre, au moins une plaque (111), et de préférence chaque plaque (111), comprend une ouverture centrale (1110) disposée au centre de la plaque (111). L’insert présente ainsi une bonne fabricabilité et améliore la conductivité thermique d’une pastille combustible tout en augmentant ses marges à fusion. Figure pour l’abrégé : Fig.2

Description

Pastille combustible comprenant un insert métallique perfectionné
La présente invention concerne le domaine des pastilles combustibles pour crayons combustibles de réacteurs nucléaire, et plus particulièrement des pastilles combustibles avec insert métallique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine des pastilles combustibles pour crayons combustibles de réacteurs nucléaires à eau légère, tels que les réacteurs à eau pressurisée (REP) et les réacteurs à eau bouillante (REB).
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le cœur d’un réacteur est classiquement divisé en assemblages combustibles, chargés les uns à côté des autres dans la cuve du réacteur. Un assemblage est typiquement constitué d'un faisceau de crayons combustibles. Chaque crayon combustible comprend typiquement une pluralité de pastilles de matériaux combustibles nucléaires fissiles empilées à l’intérieur de la gaine.
La pastille combustible émet de la chaleur par des réactions de fission. Cette chaleur est conduite à travers la pastille combustible à la gaine puis est transférée au fluide caloporteur primaire. La chaleur émise est évacuée par le fluide caloporteur du cœur vers l’îlot conventionnel de la centrale nucléaire, pour la transformer en électricité.
Ainsi, la fonction primaire du crayon combustible est de produire, puis de transmettre la chaleur produite par les réactions de fission au sein du matériau combustible au fluide caloporteur. Les puissances linéiques moyennes en régime nominal d’une pastille combustible sont typiquement comprises entre 150 et 300 W/cm. La faible conductivité thermique des matériaux combustibles, et notamment des matériaux à base d’oxyde d’uranium, crée un fort gradient de température entre le centre et la périphérie de la pastille, par exemple de l’ordre de 600 à 700 °C en conditions normales.
En cas d’augmentation importante de la puissance, la température au cœur de la pastille s’accroît fortement, typiquement à une température supérieure à 1 500 °C, voire supérieure à 2 000 °C. Le contact entre la pastille et la gaine s’accroît sous l’effet des dilatations thermiques, du gonflement de la pastille et de la réduction du diamètre de la gaine due à son fluage sous l’effet de la pression du caloporteur. A ces températures, des produits de fission volatils agressifs pour la gaine, tels que l’iode, peuvent en outre être relâchés par le centre plus chaud de la pastille. Ces phénomènes peuvent induire un phénomène de corrosion sous contrainte de la gaine, pouvant aller jusqu’à la rupture de la gaine. Ils sont communément désignés par le terme « Interaction Pastille-Gaine - Corrosion Sous Contrainte », abrégé IPG-CSC
Par ailleurs, en cas d’accident, par exemple de type perte de fluide caloporteur primaire, une élévation des températures des pastilles combustibles et de la gaine survient due l’absence de refroidissement et aux puissances résiduelles du crayon. Des calculs de simulations ont montré que les conséquences thermiques temporelles de cet accident sur le crayon combustible sont d’autant moins importantes que les températures des pastilles combustibles sont basses en conditions normales avant l’accident.
Pour remédier à ces inconvénients, des solutions existantes consistent à modifier le matériau combustible en modifiant la composition chimique du composé d’uranium pour obtenir une conductivité plus élevée. Ces solutions ont pour inconvénients d’induire un comportement différent en réacteur par rapport aux matériaux combustibles communément employés. Ces solutions nécessitent encore une recherche et un développement important pour qualifier ces combustibles à faible niveau de développement.
Des pastilles comprenant des microstructures, comprenant des amas d’oxyde d’uranium entourés de fines parois métalliques, sont décrites dans la littérature. La conductivité thermique des pastilles combustibles résultante est accrue. Toutefois, en pratique, ces microstructures sont irrégulières et difficilement reproductibles. Les microstructures comprennent en effet des discontinuités des parois métalliques, des amas de métal et une porosité mal maîtrisée, dégradant les performances des pastilles combustibles.
Il est par ailleurs connu du document Medvedev, et al.Conductive i n serts to reduce nuclear fuel temperature, Journal of Nuclear Materials, Volume 531, 2020, un concept de pastille combustible comprenant un insert en molybdène doté de sept disques s’étendant dans la section transversale de la pastille et présentant une épaisseur de 0,05 mm. L’insert métallique représente 5% du volume de la pastille combustible. Cette solution permet une augmentation de la conductivité thermique de la pastille mais elle reste en pratique limitée en termes de performances de la pastille. En effet, elle reste difficilement fabricable et présente une faible tenue sous irradiation. Dès lors, cette pastille présente une faible tenue à l’IPG-CSC et aux accidents, par exemple une perte de réfrigérant primaire.
Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution améliorant la conductivité thermique d’une pastille combustible comprenant un insert métallique.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect on prévoit une pastille combustible présentant un axe central d’extension principale comprenant :
  • un matériau combustible nucléaire fissile, et
  • au moins un insert métallique disposé dans le matériau combustible et comprenant une pluralité de plaques, chaque plaque s’étendant dans une section transversale de la pastille sensiblement perpendiculaire à son axe central.
Avantageusement, l’insert est configuré pour représenter une proportion sensiblement comprise entre 5 % et 15 % du volume total de la pastille combustible.
Selon un exemple, chaque plaque présente un volume solide supérieur à 50 % du volume total de la plaque.
Selon un exemple, chaque plaque présente une épaisseur sensiblement comprise entre 0,2 et 1,5 mm.
Au moins une plaque, et de préférence chaque plaque, comprend de préférence une ouverture centrale disposée au centre de la plaque.
L’insert métallique est ainsi configuré pour récupérer l’énergie thermique émise par le matériau combustible, en autorisant une conduction axiale entre les plaques puis radiale de cette énergie de long des plaques. L’insert forme des chemins axiaux de conduction thermique selon des directions sensiblement parallèles à l’axe central de la pastille. L’insert forme en outre des chemins radiaux continus de conduction de l’énergie thermique, pour une meilleure conduction thermique depuis le centre vers l’extérieur de la pastille combustible. Cette solution de propagation se différencie donc clairement des solutions mettant en œuvre des structures d’inserts en nid d’abeille ou de grilles.
En outre, cette gamme d’épaisseur facilite la fabrication et la solidité de l’insert métallique. En synergie avec un volume supérieur de l’insert par rapport aux solutions existantes, la pastille présente une meilleure distribution de l’insert dans la pastille avec des plaques présentant une épaisseur suffisante pour améliorer la conductivité thermique de la pastille de façon fiable. L’insert présente ainsi une meilleure résistance aux déformations et aux dilatations survenant lors de l’irradiation de la pastille. La conductivité thermique de la pastille est ainsi améliorée, y compris lorsque la pastille est soumise l’IPG-CSC ou aux accidents de perte de refroidissement primaire. Dès lors, cette pastille présente une tenue améliorée à l’IPG-CSC et en conditions d’accidents par rapport aux solutions existantes, et notamment celles recommandant l’utilisation de plaques d’épaisseur inférieure avec un volume de l’insert inférieur.
La plaque comprenant de préférence une ouverture centrale, le volume solide occupé par l’insert métallique dans la pastille combustible est réduit, tout en permettant une bonne une conduction radiale de l’énergie dans la plaque.
Lors du développement de l’invention, il a en outre été mis en évidence que des plaques comprenant une ouverture centrale permettent une augmentation de la marge à fusion des pastilles combustibles. En effet, une pastille combustible présente un gradient de température radial et les températures de fusion des métaux sont généralement inférieures à celle du matériau combustible. En cas d’augmentation importante de la puissance, ou en cas d’accident, la température au centre de la pastille combustible s’accroît fortement, par exemple à une température supérieure à 1 500 °C voire à 2 000 °C. Dès lors, la température pouvant être atteinte à l’intérieur de la pastille combustible peut induire une fusion de l’insert métallique et la dégradation de sa structure.
L’ouverture centrale permet d’éloigner le métal du centre de la pastille combustible et ainsi offrir une bonne tenue de l’insert aux fortes élévations thermiques tout en permettant de façon surprenante une conduction thermique suffisante de la pastille combustible.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un crayon combustible comprenant au moins une pastille combustible, et de préférence une pluralité de pastilles combustibles, selon le premier aspect, entourée d’une gaine.
Un troisième aspect de l’invention concerne un assemblage pour réacteur nucléaire comprenant un faisceau de crayons combustibles selon le deuxième aspect.
Un quatrième aspect de l’invention concerne un réacteur nucléaire comprenant un assemblage selon le troisième aspect.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La représente une vue en coupe longitudinale d’une cuve d’un réacteur nucléaire selon un exemple de réalisation de l’invention.
La représente une vue en coupe longitudinale d’un crayon combustible selon un exemple de réalisation de l’invention.
La représente une vue en perspective de la pastille combustible selon un exemple de réalisation de l’invention dans lequel l’insert comprend 4 plaques comprenant une ouverture centrale.
Les figures 3A à 3C représentent une vue du dessus d’une plaque de l’insert selon différents exemples de réalisation.
La représente une vue en perspective de la pastille combustible selon un exemple de réalisation de l’invention dans lequel l’insert comprend un corps central creux.
La représente une vue en perspective de la pastille combustible selon un exemple de réalisation de l’invention dans lequel l’insert comprend un corps externe.
La représente une vue en perspective de la pastille combustible selon un exemple de réalisation de l’invention dans lequel l’insert comprend un corps central et un corps externe.
La représente une vue du dessus d’un insert comprenant quatre plaques selon l’exemple illustré en , selon un exemple de réalisation.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions relatives entre la longueur et la largeur de la pastille combustible, des plaques, ainsi qu’entre le corps central et le pourtour externe de la pastille combustible, ne sont pas nécessairement représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.
Selon un exemple, le matériau combustible est une céramique nucléaire fissile. Selon un exemple, le matériau combustible est choisi parmi l’oxyde d’uranium, l’oxyde mixte d’uranium et de plutonium, l’oxyde mixte de thorium.
Selon un exemple, la plaque, et de préférence chaque plaque, est en forme de disque coaxial à la pastille.
Selon un exemple, la plaque est configurée de façon à former une pluralité de chemins de continuité thermique s’étendant radialement depuis l’ouverture centrale, vers le pourtour extérieur de la pastille.
Selon un exemple, la plaque ne forme pas un grillage ou un treillis, i.e. un enchevêtrement de fils ou câbles.
Selon un exemple, l’axe central d’extension principale de la pastille combustible forme un axe de révolution de la pastille.
Selon un exemple, la dimension externe de la section transversale de la pastille combustible est son diamètre externe.
Selon un exemple, l’insert est configuré pour ne représenter qu’une proportion sensiblement inférieure ou égale à 15 %, de préférence sensiblement inférieure ou égale à 10 %, du volume total de la pastille combustible.
Selon un exemple, l’insert est configuré pour ne représenter qu’une proportion sensiblement supérieure ou égale à 5 %, de préférence sensiblement supérieure ou égale à 7 %, sensiblement supérieure ou égale à 8 %, du volume total de la pastille combustible.
Selon un exemple, la surface de totale de la ou des ouverture(s), c’est à dire la surface de l’ensemble des ouvertures, est inférieure à 50 %, de préférence inférieur à 30 %, de préférence sensiblement égale à 20 %, de la surface de la plaque.
Selon un exemple, le volume totale de la ou des ouverture(s), c’est à dire le volume de l’ensemble des ouvertures, est inférieure à 50 %, de préférence inférieur à 30 %, de préférence sensiblement égale à 20 %, du volume d’une plaque.
Selon un exemple, au moins une ouverture, et de préférence chaque ouverture, d’une plaque, et de préférence de chaque plaque, est de forme ovale, oblongue, ovoïde, prismatique ou préférentiellement circulaire. Toute autre forme peut être envisagée.
Selon un exemple, la plaque est configurée de façon à former une pluralité de chemins de continuité thermique s’étendant radialement depuis le centre de la plaque, le cas échéant depuis l’ouverture centrale, vers le pourtour extérieur de la pastille.
Selon un exemple, et de préférence pour chaque plaque, le rapport entre une dimension la plus grande de l’ouverture centrale, prise dans le plan d’extension principale de la plaque, par exemple son diamètre, et une dimension externe de la section transversale de la pastille combustible, par exemple son diamètre, est compris entre 2 et 4. Lors du développement de l’invention, il a été mis en évidence que ces dimensions relatives entre le pourtour extérieur de la pastille et l’ouverture centrale permettent d’améliorer synergiquement l’extraction de l’énergie thermique depuis la zone la plus chaude de la pastille et l’augmentation de la marge à fusion, par un éloignement adapté du pourtour de l’ouverture centrale au centre de la pastille combustible.
Selon un exemple, au moins une plaque, et de préférence chaque plaque comprend une pluralité d’ouvertures.
Selon un exemple, au moins une plaque, et de préférence chaque plaque comprend au moins une ouverture périphérique, et de préférence plusieurs ouvertures périphériques, non disposée(s) au centre de la plaque.
Selon un exemple la pluralité d’ouvertures périphériques présente une dimension la plus grande, par exemple leur diamètre, sensiblement comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm, de préférence entre 0,8 mm et 1,25 mm.
Selon un exemple la pluralité d’ouvertures périphériques sont distinctes. Selon un exemple la pluralité d’ouvertures périphériques et l’ouverture centrale sont distinctes. De façon équivalente lesdites ouvertures ne se touchent pas entre elles.
Selon un exemple, pour au moins deux plaques consécutives comprenant au moins une ouverture périphérique, les ouvertures périphériques des au moins deux plaques consécutives ne sont pas totalement et de préférence entièrement pas en regard entre elles.
Selon un exemple, au moins une plaque, et de préférence chaque plaque comprend entre quatre et dix ouvertures, de préférence entre cinq et dix ouvertures.
Selon un exemple, la pluralité d’ouvertures présente une symétrie de rotation autour de l’axe central.
Selon un exemple, le matériau combustible ne remplit pas l’ouverture centrale et/ou les ouvertures périphériques. L’ouverture centrale et/pu les ouvertures périphériques peut (peuvent) être exempte(s) de matériau combustible.
Selon un exemple, le matériau combustible remplit l’ouverture centrale et/ou les ouvertures périphériques, et de préférence chaque ouverture. Ainsi, une meilleure continuité thermique entre le matériau combustible et l’insert est obtenue ainsi qu’un coût moins élevé d’enrichissement en matière fissile de la pastille. Selon un exemple, l’ouverture centrale et/ou les ouvertures périphériques est (sont) remplie(s) uniquement par le matériau combustible. Selon un exemple, l’ouverture centrale et/ou les ouvertures périphériques est (sont) remplie(s) intégralement par le matériau combustible.
Selon un exemple, l’insert ne comprend pas de corps externe. De façon équivalente, le pourtour extérieur de la pastille est formé par le matériau combustible.
Selon un exemple, au moins une plaque, et de préférence chaque plaque, présente une dimension externe la plus grande, prise dans le plan d’extension principale de la plaque, inférieure à 95 %, de préférence à 90 %, de préférence à 80 % d’une dimension externe de la section transversale, par exemple le diamètre, de la pastille combustible. Ainsi, un contact direct de la gaine et des plaques est évité, ce qui minimise et de préférence évite un gradient thermique néfaste sur la gaine.
Selon un exemple, l’insert métallique comprend un nombre de plaques compris entre 2 et 6. Ce nombre de plaques permet d’améliorer la conductivité thermique et de réduire les températures maximales de la pastille en conditions normales et accidentelles, notamment par une évacuation axiale de l’énergie thermique de la pastille, tout en limitant la quantité de métal dans la pastille. Selon un exemple, les plaques sont régulièrement réparties le long de l’axe central de la pastille.
Selon un exemple, l’insert métallique comprend un corps central creux sur lequel est disposée la pluralité de plaques.
Selon un exemple, le corps central creux est rempli par le matériau combustible. Un avantage est d’éviter d’enrichir en U235 le reste du combustible pour dispenser la même puissance. Ainsi le corps central creux forme une barrière physique autour du cœur de la pastille, apte à arrêter les produits de fission. Le corps central permet donc une compartimentalisation du cœur de la pastille combustible et donc un confinement des produits de fission qui y sont générés. Le risque de corrosion de la gaine par IPG-CSC est minimisé. Cela permet en outre un retard à la rupture de la gaine en cas d’accident grâce à une baisse de la pression des produits de fission dans le crayon. Le risque de rupture de la gaine par les produits de fission est donc réduit.
Selon un exemple, le rapport entre une dimension externe de la section transversale de la pastille combustible et une dimension externe de la section transversale du corps central creux, par exemple son diamètre, est compris entre 2 et 4. Lors du développement de l’invention, il a été mis en évidence que ces dimensions relatives entre le pourtour extérieur de la pastille et le corps central creux permettent d’améliorer synergiquement l’extraction de l’énergie thermique depuis la zone la plus chaude de la pastille et l’augmentation de la marge à fusion, par un éloignement adapté du corps creux central au centre de la pastille combustible.
Selon un exemple, le corps central creux présente un pourtour radial fermé délimitant un volume intérieur. Selon un exemple, les plaques se n’étendent pas dans le volume intérieur du corps central. Selon un exemple, l’intérieur du corps central est rempli uniquement de matériau combustible. Selon un exemple, l’intérieur du corps central est intégralement rempli de matériau combustible.
Selon un exemple, le corps externe présente une épaisseur sensiblement supérieure à 5 µm. Selon un exemple, le corps externe présente une épaisseur sensiblement inférieure à 25 µm. Selon un exemple, le corps externe présente une épaisseur sensiblement comprise entre 5 µm et 25 µm.
Selon un exemple, l’ouverture centrale d’au moins une plaque, et de préférence de chaque plaque, coïncide avec le corps central.
Selon un exemple, la section transversale du corps central creux est sensiblement circulaire.
Selon un exemple, une dimension externe de la section transversale du corps central creux est son diamètre externe.
Selon un exemple, l’insert est monobloc. Selon un exemple, le corps central creux et/ou le corps externe relie chaque plaque de la pastille combustible. Ainsi les plaques sont connectées thermiquement entre elles. Selon un exemple alternatif, le corps central et/ou les plaques et/ou le corps externe sont distincts.
Selon un exemple, la pastille combustible présentant une longueur selon une direction parallèle, et de préférence confondue, avec un axe central d’extension principale de la pastille combustible, le corps central creux s’étend sur sensiblement toute la longueur de la pastille combustible. L’insert permet ainsi une continuité thermique du corps central sur toute la longueur de la pastille.
Selon un exemple, l’insert métallique comprend un corps externe configuré pour former le pourtour extérieur de la pastille combustible. Ainsi, le corps externe forme une barrière physique autour de la pastille, apte à arrêter les produits de fission volatils. Les produits de fission volatils agressifs pour la gaine se propagent notamment au niveau de fissures radiales dans le matériau combustible, allant du centre de la pastille vers son pourtour extérieur. Une fissure radiale débouchant sur la gaine entraîne une concentration des produits de fission volatils favorisant la corrosion de la gaine. Le corps externe évite cette concentration des produits de fission volatils en les confinant par rapport à la gaine, tout en améliorant l’échange thermique entre le matériau combustible et la gaine.
Selon un exemple, l’insert métallique comprenant un corps externe configuré pour former le pourtour extérieur de la pastille combustible, au moins une plaque, et de préférence chaque plaque, s’étend jusqu’au corps externe de la pastille combustible. Ainsi, l’insert forme un chemin de continuité thermique jusqu’au corps externe qui répartit la chaleur uniformément sur la gaine.
Selon un exemple, le corps central creux et le corps externe sont reliés par au moins une plaque, de préférence par la pluralité de plaques.
L’insert métallique est à base ou fait d’un métal. Selon un exemple, l’insert métallique est à base ou fait d’un métal présentant une conductivité thermique supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible.
Selon un exemple, l’insert métallique est à base ou fait d’un métal réfractaire.
De préférence, le métal choisi parmi le zircaloy, le chrome, le molybdène et leurs alliages.
Selon un exemple, l’insert métallique comprend du platine. Selon un exemple, l’insert métallique est à base, voire est constitué de, platine. De préférence, l’insert comprend une couche superficielle à base de platine, déposée de façon continue ou discontinue en surface de l’insert. De préférence, l’insert est à base d’un alliage comprenant du platine.
Dans la présente demande de brevet, lorsque l’on indique que deux pièces sont distinctes, cela signifie que ces pièces sont séparées. Elles sont :
  • positionnées à distance l’une de l’autre, et/ou
  • mobiles l’une par rapport à l’autre et/ou
  • solidaires l’une de l’autre en étant fixées par des éléments rapportés, cette fixation étant démontable ou non.
Une pièce unitaire monobloc ne peut donc pas être constituée de deux pièces distinctes.
Dans la description détaillée qui suit, il pourra être fait usage de termes tels que « longitudinal », « transversal », « supérieur », « inférieur », « haut », « bas », « avant », « arrière », « intérieur », « extérieur ». Ces termes doivent être interprétés de façon relative en relation avec la position normale de la pastille combustible dans le crayon. Par exemple, la direction « longitudinale » correspond à la direction d’extension principale de la pastille combustible, parallèle à l’axe central d’extension principale de la pastille combustible.
On utilisera également un repère dont la direction longitudinale correspond à l’axe z, la direction transversale correspond à l’axe y et la direction avant/arrière correspond à l’axe x.
La section transversale est ainsi la section prise perpendiculaire à l’axe central d’extension principale de la pastille combustible, qui est parallèle à l’axe z.
« Interne » désigne les éléments ou les faces tournées vers l’intérieur de la pastille combustible, par exemple tournées vers son axe central, et « externe » désigne les éléments ou les faces tournées vers l’extérieur de la pastille combustible, par exemple en étant opposées à son axe central.
On entend par un paramètre « sensiblement égal/supérieur/inférieur à » une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.
Par un matériau « à base » d’un élément A on entend que ce matériau comprend l’élément ou l’espèce A, éventuellement complété par d’autres éléments ou espèces.
Dans le cadre de la présente invention, les épaisseurs d’un élément ou d’une pièce sont prises selon une direction normale à la tangente à la surface de l’élément ou de la pièce.
Par un cylindre, on entend un solide délimité par une surface de droites génératrices sensiblement parallèles et deux plans sensiblement parallèles, de préférence perpendiculaires aux droites génératrices. La section transversale d’un cylindre est préférentiellement circulaire mais pas nécessairement : elle peut être ovale, oblongue, ovoïde ou prismatique. Notons que le terme de « cylindre » inclut une forme sensiblement cylindrique, c’est à dire de forme cylindrique imparfaite, par exemple en lien avec des tolérances de fabrication.
Par volume solide, pouvant être aussi désigné volume occupé, on entend le volume occupé par le ou les matériaux constituant la plaque, par opposition à des ouvertures formant un volume libre, dans le volume total apparent de la plaque. Le volume total apparent de la plaque correspond au volume défini par l’enveloppe externe de la plaque avec ces ouvertures, ou de façon équivalente d’une plaque pleine sans ouverture. Le volume total apparent est plus particulièrement formé par les surfaces de la plaque, s’étendant sensiblement perpendiculairement à l’axe central A, et son pourtour radial sans les ouvertures. La somme du volume solide et du volume libre donne 100 % du volume total de la plaque.
Les différents aspects de l’invention sont maintenant décrits selon plusieurs exemples de réalisation.
De façon générale, un réacteur nucléaire 4 comprend une cuve 40 dans laquelle un cœur 41 est disposé, comme l’illustre par exemple la . Le combustible nucléaire des pastilles combustibles 1 est compris dans un crayon combustible 2. Un faisceau de crayons 2 combustibles forme un assemblage 3. Ces crayons 2 sont typiquement liés par une structure rigide, par exemple constituée de tubes guides et de grilles. Les assemblages 3 sont disposés les uns à côté des autres dans la cuve 40 du réacteur 4. À titre d’exemple, on compte 157 assemblages 3 dans le cœur pour un réacteur d’une puissance de 900 MWe en France. Il existe différents types d’assemblages 3 dans le cœur selon la fonction principale qu’ils sont destinés à remplir. La pastille combustible 1 qui va être décrite en détail ci-dessous est de préférence portée par un crayon combustible 2 dans un assemblage 3 combustible.
Un fluide caloporteur circule dans la cuve 40 pour extraire l’énergie thermique produite par les crayons combustibles, comme par exemple illustré par les flèches dans la cuve 40 en . Le fluide caloporteur est un liquide. Selon un exemple, le réacteur 4 est un réacteur nucléaire à eau légère (abrégé REL ou LWR de l’anglais light water reactor). Un REL est un réacteur nucléaire dont le fluide caloporteur du combustible est de l'eau, aussi appelée eau légère en distinction avec de l’eau lourde. Les REL les plus courants sont les réacteurs à eau pressurisée (abrégé REP, ou PWR de l’anglais pressurized water reactor) et les réacteurs à eau bouillante (abrégé REB, ou BWR de l’anglais boiling water reactor). Dans la suite on se réfère à l’exemple non limitatif dans lequel le réacteur est un REL. Dans un REP, l’eau est typiquement à une pression sensiblement de 150 bar et à une température sensiblement de 320 °C. À titre d’exemple, nous pouvons citer les REP 900 MWe ou 1300 MWe de la filière française. Dans un REB, l’eau est typiquement à une pression sensiblement de 70 bar et à une température sensiblement de 215 °C.
Un crayon combustible 2 comprend généralement une pluralité de pastilles combustible 1 empilées selon une direction longitudinale, et entourées par une gaine 20, communément en Zircaloy, comme l’illustre par exemple la . La gaine 20 est fermée et étanche et constitue la première barrière de confinement. Elle peut présenter un diamètre compris entre 8 et 13 mm. Les pastilles combustibles sont typiquement sous la forme de cylindres de diamètre sensiblement compris entre 7 et 9 mm, par exemple sensiblement égal à 8,2 mm à froid, c’est-à-dire hors irradiation de la pastille, et de longueur L1 sensiblement comprise entre 10 et 15 mm, par exemple sensiblement égale à 13,6 mm, comme par exemple illustré par la . Le diamètre à chaud, c’est-à-dire sous irradiation, d’une pastille combustible peut être sensiblement égal au diamètre interne de la gaine 20, par exemple de sensiblement 8,36 mm. En effet, le joint entre les pastilles combustible 1 et la gaine 20, entièrement gazeux en hélium en début d’irradiation, devient totalement comblé en début de second cycle d’irradiation.
Une pastille combustible 1 comprend un matériau combustible 10 nucléaire, fissile sous irradiation en réacteur nucléaire. Ce matériau 10 est représenté en pointillé dans les figures représentant une vue d’ensemble de la pastille 1. Le matériau combustible 10 peut être une céramique combustible nucléaire. Le matériau combustible 10 peut par exemple être à base d’un oxyde d’uranium, par exemple de dioxyde d’uranium de formule UO2. Le dioxyde d’uranium peut être enrichi avec de l’uranium U235, par exemple à environ 5% le complément étant de l’U238 fertile. Le matériau combustible 10 peut par exemple être à base d’un oxyde mixte (abrégé MOX, de l’anglaisMixed OXide) d’uranium et de plutonium (U, Pu)O2, par exemple avec une teneur en Pu comprise entre 5 et 10% en masse par rapport à la masse totale d’U+Pu et de l’uranium appauvri, et/ou d’un oxyde mixte de thorium de formule (U, Th)O2.
Ces matériaux combustibles en céramique sont généralement de faibles conducteurs thermiques. Lors du fonctionnement du réacteur, ceci induit de forts gradients thermiques radiaux de températures dans la pastille combustible, et donc de fortes contraintes thermomécaniques dans la pastille combustible. En fonctionnement nominal, la température d’une pastille combustible est de l’ordre de 1 000 °C au centre et de 400 à 500 °C à son pourtour extérieur.
En cas d’augmentation importante de la puissance, la température au cœur de la pastille s’accroît fortement, par exemple jusqu’à 1 500 °C, voire au-delà de 2 000 °C dans certains cas.
Avec les dilatations thermiques et le gonflement de la pastille 1, il se produit une réduction du diamètre de la gaine 20 due à son fluage sous l’effet de la pression du caloporteur. Les contraintes de la pastille 1 sur la gaine 20 s’accroissent.
A ces températures, des produits de fission (abrégé PF dans la suite) peuvent être relâchés. Parmi ces produits de fission, on distingue les produits de fission gazeux, et les produits de fission volatils. Les produits de fission gazeux sont typiquement des gaz rare, et notamment du xénon et/ou du krypton. Ces gaz créent des sollicitions thermomécaniques dans la pastille 1 et exercent une pression sur la gaine 20, pouvant aller jusqu’à sa rupture en conditions accidentelles. Les produits de fission volatils, tels que les tellures ou l’iode, sont corrosifs pour la gaine. Ces produits de fission sont notamment dégagés lors de fort transitoires de puissance.
Ces PF volatils se propagent notamment au niveau de fissures radiales dans le matériau combustible, allant du centre de la pastille vers son pourtour extérieur. Ces fissures sont issues notamment des déformations du matériau combustible sous l’effet des sollicitations thermomécaniques. Une fissure radiale induit une concentration des PF à proximité de la gaine, pouvant induire, avec les contraintes simultanées sur la gaine, une corrosion de la gaine, voire sa rupture.
En outre en cas d’accident, il est important de pouvoir réduire les températures des pastilles combustibles afin d’en réduire les conséquences thermiques temporelles et améliorer la sûreté des crayons
Pour remédier à cela, la pastille combustible 1 comprend en outre un insert 11 métallique. L’insert 11 est une structure métallique ou de façon équivalente un élément structurel métallique disposé dans le matériau combustible 10. L’insert 11 est configuré pour augmenter la conductivité thermique de la pastille 1 en formant une structure hautement conductrice de la chaleur évacuant radialement et axialement l’énergie thermique produite du centre vers la périphérie des pastilles.
Pour cela, l’insert métallique 11 comprend une pluralité de plaques 111 disposées sensiblement perpendiculairement à son axe central A d’extension principale. Selon l’exemple illustré en , les plaques 111 s’étendent dans un plan parallèle au plan (x, y), perpendiculaire à l’axe z. Dans la suite, on considère à titre non limitatif que les plaques 111 sont circulaires et que la pastille combustible 1 est cylindrique et sont coaxiaux.
Le nombre de plaques 111 peut par exemple être compris entre 2 et 6. L’épaisseur des différentes plaques 111a, 111b, 111c, 111d peut être différente ou sensiblement égale. L’épaisseur selon une direction parallèle à l’axe z de chaque, plaques 111a, 111b, 111c est sensiblement comprise entre 0,2 mm et 1,5 mm, de préférence sensiblement comprise entre 0,23 mm 1,37 mm. Ainsi, les plaques permettent une conduction radiale et axiale de l’énergie thermique tout en présentant une épaisseur permettant de mieux résister aux sollicitations thermomécaniques, et notamment à l’IPG-CSC.
Par ailleurs, l’insert 11 est de préférence configuré pour ne représenter qu’une proportion sensiblement inférieure ou égale à 15 %, de préférence sensiblement inférieure ou égale à 10 %, du volume de la pastille combustible 1. L’insert est de préférence configuré pour représenter une proportion sensiblement supérieure ou égale à 5 % du volume total de la pastille combustible. Pour cela, l’épaisseur des plaques 111 peut notamment être adaptée en fonction de leur volume solide et du nombre de plaques 111 dans l’insert 11, comme ce sera décrit ultérieurement à travers plusieurs exemples de réalisation. Selon un exemple, l’épaisseur des plaques est d’autant plus faible que le nombre de plaque est élevé, par exemple pour un volume total de métal de 10% par rapport à la pastille (cf. tableau 3 donné ultérieurement).
Cette gamme de volume permet de limiter le volume occupé par l’insert 11 à la place du matériau combustible 10 dans la pastille. En outre, certains métaux présentent une légère absorption aux neutrons. Afin d’éviter un enrichissement supplémentaire en U235 de la pastille pour atteindre la même puissance générée que dans une pastille combustible 1 sans insert 11, il est préférable de limiter la quantité de métal présent dans la pastille combustible 1. Ces proportions minimisent donc le recours à un accroissement de l’enrichissement en uranium 235 de l’uranium du matériau combustible 10.
De préférence, comme par exemple illustré par la , les plaques 111 sont régulièrement réparties selon l’axe A pour mieux distribuer l’insert 11 dans la hauteur L1 de la pastille combustible 1 prise selon une direction parallèle à la direction z. Les chemins de conduction thermique sont ainsi répartis axialement le long de la pastille 1. De préférence, les plaques 111a, 111b, 111c, 111d sont disposés consécutivement à équidistance les unes des autres le long de la pastille 1 selon une direction parallèle à l’axe z. De préférence, chaque plaque est séparée du ou des plaques adjacentes par une portion de matériau combustible 10 de hauteur identique, selon une direction parallèle à l’axe z. Selon un exemple, la hauteur des portions de matériau combustible 10 peut être sensiblement comprise entre 1,7 et 4,2 mm.
De préférence, chaque plaque 111 est circulaire de diamètre sensiblement égal à 90% du diamètre de la pastille 1 et a une épaisseur comprise entre 0,69 mm à 0,23 mm variable avec le nombre de plaques allant de 2 à 6.
Comme par exemple illustré par la , les plaques 111 peuvent s’étendre jusqu’au pourtour extérieur 1a de la pastille combustible 1. Selon un autre exemple, notamment lorsque l’insert 11 ne comprend pas de corps externe 112 décrit ultérieurement, au moins une plaque 111, et de préférence chaque plaque 111, s’étend transversalement jusqu’à une région située en bordure du pourtour extérieur 1a de la pastille combustible 1. La région située en bordure, par rapport au pourtour extérieur 1a de la pastille combustible 1, est située à une distance sensiblement inférieure à 20 %, de préférence sensiblement inférieure à 10%, et de sensiblement inférieure à 5%, du pourtour extérieur 1a de la pastille combustible 1, selon une direction normale à la tangente au pourtour 1a. Ainsi, l’insert 11 forme des chemins radiaux de continuité thermique de longueur suffisante pour l’extraction de l’énergie thermique, tout en évitant d’engendrer un gradient thermique radial au niveau de la gaine. Selon un exemple, selon une direction normale à la tangente au pourtour 1a, la dimension externe la plus grande d’une plaque 111, par exemple son diamètre D111 représenté dans les figures 3A à 3C, est inférieure à 95 %, de préférence à 90 %, de préférence à 80 % d’une dimension externe de la section transversale, par exemple le diamètre D1, de la pastille combustible 1.
Dans la suite, les caractéristiques sont décrites relativement à au moins une plaque 111 et s’appliquent de préférence à chaque plaque 111.
Comme par exemple illustré en figures 2 et 3A à 3C, la plaque 111 comprend au moins une ouverture centrale 1110. L’ouverture centrale 1110 est plus particulièrement disposée au centre de la plaque 111, par exemple sensiblement centrée sur l’axe central A de la pastille 1.
Les dimensions relatives entre l’ouverture centrale 1110 et le pourtour extérieur 1a de la pastille 1 sont de préférence optimisées pour maximiser la conductivité thermique de la pastille 1 et augmenter sa marge à fusion. Ainsi, l’extraction de l’énergie thermique peut être améliorée pour des températures de fonctionnement plus hautes que dans les solutions existantes. Le cœur de la pastille combustible 1 peut donc s’élever des températures supérieures à la température de fusion du métal de l’insert sans risquer une détérioration de l’insert 11.
Pour cela, la pastille 1 présente une dimension D1prise entre deux points de sa section transversale opposés relativement à son axe central A, et l’ouverture centrale 110 peut présenter une dimension D1110prise entre deux points de sa section transversale opposés relativement à l’axe central A. La dimension D1peut plus particulièrement être le diamètre de la pastille 1. La dimension D1110peut plus particulièrement être le diamètre de l’ouverture centrale 1110 . Le rapport entre D1et D1110peut être sensiblement compris entre 2 et 4, de préférence entre 2,5 et 3,5, plus préférentiellement encore sensiblement égal à 3,2. Notons que lorsque l’insert 11 comprend un corps externe 112 formant le pourtour extérieur 1a de la pastille, comme décrit plus en détail ultérieurement, le diamètre D1de la pastille 1 inclut le corps externe 122.
Le volume occupé de la plaque 111 est sensiblement supérieur ou égal à 50 %, de préférence sensiblement supérieur ou égal à 70 %, et plus préférentiellement encore sensiblement égal à 80 % du volume total de la plaque 111. De façon équivalente, la plaque 111 est délimitée entre deux plans parallèles, la surface d'ouverture, prise en projection sur un des deux plans parallèles, est sensiblement inférieure ou égale à 50 %, de préférence sensiblement inférieure ou égale à 30 %, et plus préférentiellement encore sensiblement égal à 20 % de la surface de la plaque 111, prise en projection sur un des deux plans parallèles.
Différents exemples de réalisation des plaques 111 sont maintenant décrits en référence aux figures 3A à 3C.
Dans la suite, on considère à titre non limitatif que les ouvertures 1110, 1111 sont de préférence circulaires. Notons que toute autre forme peut être envisagée. L’ouverture 1110, 1111 est plus particulièrement traversante de part et d’autre de la plaque 111, selon une direction sensiblement parallèle à la direction z.
Comme par exemple illustré en , la plaque 111 peut comprendre uniquement une ouverture centrale 1110.
En complément, la plaque 111 peut comprendre au moins une et de préférence plusieurs ouvertures périphériques 1111. Les ouvertures périphériques 1111 sont de préférence excentrées par rapport au centre de la plaque 111. Selon un exemple, comme illustré par les figures 3B et 3C, les ouvertures périphériques 1111 sont réparties dans la plaque 111 autour de l’ouverture centrale 1110.
Selon un exemple, au moins une plaque, et de préférence chaque plaque comprend entre quatre et dix ouvertures, de préférence entre cinq et dix ouvertures comme illustré à titre d’exemple par les figures respectivement 3B et 3C.
Selon un exemple, la pluralité d’ouvertures présente une symétrie de rotation autour de l’axe central A. Le profil radial de conduction de l’énergie thermique dans la plaque 111 est ainsi rendu plus homogène. Selon un exemple les ouvertures périphériques 1111 sont disposées autour de l’axe central A en étant séparées par un même intervalle angulaire, par exemple l’intervalle angulaire est sensiblement égal à 360° divisé par le nombre d’ouvertures périphériques 1111.
Selon un exemple, les ouvertures périphériques présentent une dimension la plus grande, par exemple leur diamètre D1111, sensiblement comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,8 mm et 1,25 mm, et plus préférentiellement entre 0,82 et 1,23 mm. Cette dimension peut notamment être adaptée en fonction du nombre d’ouvertures périphériques 1111, comme ce sera décrit ultérieurement pour des exemples de réalisation.
De préférence, le matériau combustible remplit chaque ouverture. La présence d’au moins une ouverture remplie du matériau combustible 10 permet de minimiser le volume de l’insert 11 par rapport au volume de matériau combustible 10, et ainsi réduire l’enrichissement en U235 à faire pour atteindre la même puissance dissipée qu’une pastille combustible sans insert. En outre, la ou les ouvertures 1110, 1111 permettent d’augmenter la surface de contact entre le matériau combustible 10 et la plaque 111, pour favoriser l’extraction de l’énergie thermique du matériau combustible 10. Ainsi, et de façon synergique avec le nombre d’ouverture 1110, 1111 de la plaque 111, une meilleure continuité thermique entre le matériau combustible et l’insert est obtenue.
En outre, l’insert 11 peut comprendre un corps central 110 creux, comme illustré par exemple par la . Selon cet exemple, le corps central 110 s’étend selon une direction principale sensiblement parallèle, et de préférence confondue, avec l’axe central A d’extension principale de la pastille combustible 1, cet axe étant sensiblement parallèle à la direction z. Selon un exemple préféré, le corps central 110 et la pastille forme une structure coaxiale. Dans la suite, on considère à titre non limitatif que le corps central 110 et la pastille sont cylindriques et sont coaxiaux.
Les plaques 111 peuvent être distinctes du corps central 110. Selon un autre exemple, les plaques 111 sont disposées sur le corps central 110. Par exemple, l’ouverture centrale 1110 des plaques 111 coïncide avec le corps central 110. Selon un exemple, les plaques 111 et le corps central 110 forment un ensemble monobloc.
Selon un exemple, le corps central 110 présente un volume intérieur non rempli par le matériau combustible 10. Le volume intérieur peut être totalement exempt de matériau combustible. Toutefois, cela nécessite un surenrichissement coûteux en U235 pour compenser le volume en moins de matériau combustible au cœur de la pastille et dispenser la même puissance.
Selon un exemple alternatif et préféré, le corps central 110 est rempli, et de préférence rempli uniquement, par le matériau combustible 10. Cet insert 11 est ainsi configuré pour confiner les PF au moins au centre de la pastille combustible 1 afin de limiter leur propagation vers le pourtour extérieur de la pastille 1 et donc vers la gaine du crayon et de confiner les PF générési n situau cœur de la pastille 1. De préférence, le corps central 110 est intégralement rempli par le matériau combustible 10. Ainsi, le contact thermique entre le matériau combustible 10 et l’insert 11 est favorisé.
De même que pour les ouvertures centrales 1110, les dimensions relatives entre le corps central 110, et le pourtour extérieur 1a de la pastille 1 peuvent être adaptées pour maximiser la conductivité thermique de la pastille et augmenter sa marge à fusion.
Pour cela, la pastille 1 présente une dimension D1prise entre deux points de sa section transversale opposés relativement à son axe central A, et le corps central 110 présente une dimension D110prise entre deux points de sa section transversale opposés relativement à l’axe central A. La dimension D1peut plus particulièrement être le diamètre de la pastille 1. La dimension D110peut plus particulièrement être le diamètre externe du corps central 110 creux . Le rapport entre D1et D110peut être sensiblement compris entre 2 et 4, de préférence entre 2,5 et 3,5, plus préférentiellement encore sensiblement égal à 3,2. Notons que lorsque l’insert 11 comprend un corps externe 112 formant le pourtour extérieur 1a de la pastille, comme décrit plus en détail ultérieurement, le diamètre D1de la pastille 1 inclut le corps externe 122.
Comme par exemple illustré par la , le corps central peut s’étendre sur une distance sensiblement supérieure ou égale à 80 %, de préférence sensiblement supérieure ou égale à 90 % de préférence sensiblement supérieure ou égale à 95 % de la longueur L1 de la pastille 1. De préférence, le corps central 110 s’étend sur sensiblement toute la longueur L1 de la pastille combustible 1. Le corps central 110 forme ainsi un chemin en continuité thermique sur toute la longueur de la pastille 1. Le corps central 110 forme en outre un élément conférant une bonne tenue mécanique à l’insert 11, notamment lorsque les plaques 111 sont montées sur le corps central 110. Le corps central 110 peut présenter au moins une extrémité 110a affleurant la surface du matériau combustible 10. De préférence, chaque extrémité 110a affleure la surface du matériau combustible 10. Selon un exemple alternatif non représenté, le corps central 110 peut ne s’étendre que sur une fraction uniquement de la longueur L1, de façon fractionnée ou continue.
Selon un exemple, le corps central 110 est formé d’une paroi d’épaisseur comprise entre sensiblement 250 µm et 450 µm. Cette gamme d’épaisseur permet une bonne fabricabilité de l’insert et une rigidité suffisante du corps central 110. La quantité de métal dans la pastille est en outre limitée.
Comme par exemple illustré par la , le pourtour extérieur 1a de la pastille 1 peut être formé par le matériau combustible 10, le matériau combustible 10 étant représenté en pointillé.
Comme par exemple illustré par la , l’insert 11 métallique peut comprendre un corps externe 112 configuré pour former le pourtour extérieur 1a de la pastille combustible 1, au moins pour son pourtour radial. Ainsi, le corps externe 112 permet une compartimentalisation du matériau combustible 10 pour confiner les PF. Lorsque l’insert comprend en outre un corps central 110, par exemple comme illustré en , le corps externe 112 améliore la compartimentalisation du matériau combustible 10 pour confiner les PF. De préférence, le corps externe 112 et le corps central 110 forment une structure coaxiale. Le corps externe peut plus particulièrement être cylindrique. De même que pour le corps central 110, le corps externe 112 peut s’étendre sur une distance sensiblement supérieure ou égale à 80 %, de préférence sensiblement supérieure ou égale à 90 % de préférence sensiblement supérieure ou égale à 95 % de la longueur L1 de la pastille 1. De préférence, le corps externe 112 s’étend sur sensiblement toute la longueur L1 de la pastille combustible 1. Le corps externe 112 forme ainsi un chemin en continuité thermique sur toute la longueur de la pastille 1. Le corps externe 112 peut en outre former un élément conférant une bonne tenue mécanique à l’insert 11. Le corps externe 112 peut ne s’étendre que sur une fraction uniquement de la longueur L1, de façon fractionnée ou continue.
Le corps externe peut être configuré pour former une surface sensiblement supérieure ou égale à 80 %, sensiblement supérieure ou égale à 90 %, de préférence sensiblement supérieure ou égale à 95 % de la surface extérieure de la pastille combustible 1. Le corps externe 112 peut comprendre au moins une, et de préférence deux surfaces 112a configurées pour recouvrir les extrémités longitudinales de la pastille 1 comme par exemple illustré en par les deux surfaces 112a chacune disposée dans un plan parallèle au plan (x,y).
Afin de minimiser la quantité de métal dans la pastille combustible 1, le corps externe 112 s’étendant potentiellement sur une surface importante de la pastille, son épaisseur peut être limitée. Par exemple, l’épaisseur du corps externe 112 peut être sensiblement comprise entre 5 µm et 25 µm. Cette gamme d’épaisseur permet notamment de former une barrière aux PF en minimisant la quantité de métal dans la pastille 1.
Les plaques 111 peuvent être distinctes du corps externe 112. Selon un autre exemple, les plaques 111 et le corps central 112, éventuellement avec le corps central 110, forment un ensemble monobloc.
Selon un exemple, le corps central 110 et le corps externe 112 sont reliés par au moins une plaque 111, de préférence par chaque plaque 111. L’échange thermique avec la gaine est encore amélioré par un chemin thermique continu depuis le corps central 110 jusqu’au corps externe 112. En outre, la robustesse de l’insert 11 est améliorée.
Selon un exemple, entre différentes plaques 111, les plaques 111 sont alignées entre elles de sorte que, dans une projection selon un plan perpendiculaire à l’axe central A, les ouvertures 1110, 1111, et notamment les ouvertures périphériques 1111, sont confondues.
Selon l’exemple illustré en , entre différentes plaques 111, les ouvertures, et notamment les ouvertures périphériques 1111, de plaques consécutives peuvent ne pas être entièrement en regard. De préférence ces ouvertures sont entièrement non en regard. De façon équivalente, les ouvertures d’au moins deux plaques consécutives peuvent ne pas être situées au droit l’une de l’autre selon une direction parallèle à l’axe central A. Selon l’exemple illustré, les ouvertures périphériques 1111 entre différentes plaques peuvent être consécutivement séparées par un même intervalle angulaire, par exemple sensiblement égal à 360 ° divisé par la somme du nombre d’ouvertures 1111 des plaques 111. Ainsi, les chemins de conduction thermique sont répartis en trois dimensions dans le volume de la pastille 1.
L’insert 11 est à base ou fait d’un métal, de préférence à base ou fait d’un métal réfractaire. Par exemple, le métal est choisi parmi du zircaloy, du chrome ou du molybdène. Quelques propriétés de ces métaux sont indiquées dans le tableau 1. Ces métaux sont des métaux réfractaires avec des sections efficaces de capture de neutrons thermique relativement faibles et présentent une conductivité thermique supérieure à l’UO2, sensiblement comprise entre 2 et 4 W.m-1.K-1. Le molybdène et le chrome sont préférés pour leurs températures de fusion plus élevées. Le zircaloy présente l’avantage de présenter une bonne transparence aux neutrons. En revanche, sa température de fusion et sa conductivité thermique sont plus basses que les deux autres métaux.
Propriétés/Métal Cr Mo Zr
Conductivité W/m-1.K-1(25°C) 94 139 13,7
T fusion (°C) 1907 2623 1855
Section de capture thermique (Barn, soit 1 .10−28m² dans le système international des unités) 3,05 2,48 0,01
Le matériau combustible 10 peut être dopé avec au moins un additif à base d’alcalino-terreux, par exemple le baryum Ba, et/ou à base d’un élément du groupe platine, aussi désigné platinoïde. Le métal alcalino-terreux est apte à piéger les PF. Ce piège peut être un métal alcalino-terreux (par exemple le baryum et/ou le strontium et/ou le calcium) ou un oxyde de métal alcalino- terreux (par exemple BaO, et/ou SrO ou CaO, ou BaO2, ou SrO2ou CaO2), ainsi que les mélanges et les combinaisons des espèces précitées. Le matériau combustible 10 peut comporter, par exemple en surface ou près de sa surface, au moins un matériau anticorrosion de la gaine comprenant au moins un métal alcalino-terreux. Le matériau anticorrosion peut former un revêtement interne de la gaine. Selon un exemple, le matériau anticorrosion présente une épaisseur sensiblement comprise entre 50 µm et 70 μm, permettant ainsi d’éviter la corrosion jusqu'à un taux de combustion de 10 at%.
Le matériau combustible 10 et/ou l’insert 11 peut comporter, par exemple en surface ou près de sa surface, au moins un élément anticorrosion de la gaine appartenant au groupe platine, pouvant être du palladium ou du ruthénium ou du rhodium ou de l'osmium ou de l'iridium ou du platine, de manière à former des composés de tellures et/ou d'iodures avec cet élément du groupe platine et les PF générés. Ce dopage permet à la fois une augmentation de la conductivité thermique de la pastille 1 et permet une meilleure rétention des PF corrosifs. L’élément anticorrosion peut former un revêtement interne de la gaine. Selon un exemple, la quantité en élément du groupe platine est sensiblement supérieure ou égale à la quantité totale en tellure et/ou en iode, produit par la fission au taux de combustion maximale visé du matériau combustible 10. Les nombres de moles de tellure et d'iode créés dans le combustible sont voisins de 1,15276.106moles de tellure/at%/g de combustible oxyde et de 6,69344.107moles d'iode/at%/g de combustible oxyde. Ainsi, la quantité calculée de palladium pour former un composé de type PdTe pour un taux de combustion de 20 at%, est de 1 g de palladium ce qui représente 2 μm environ de palladium répartis sur toute la surface externe des pastilles ou toute la surface interne de la gaine au niveau de la colonne fissile.
Selon un exemple alternatif ou complémentaire, l’insert 11 comprend un élément du groupe platine, pouvant être du palladium ou du ruthénium ou du rhodium ou de l'osmium ou de l'iridium ou de préférence du platine. Selon un exemple, l’insert métallique est à base, voire est constitué de, platine. De préférence, l’insert 11 comprend une couche superficielle à base de platine, déposée de façon continue ou discontinue en surface de l’insert. La couche superficielle peut présenter une épaisseur sensiblement inférieure ou égale à 5 µm, de préférence inférieure ou égale à 2 µm. De préférence, l’insert 11 est à base d’un alliage comprenant du platine. Ainsi, l’insert 11 est apte à former des composés de tellures et/ou d'iodures et ainsi améliorer la rétention des PF.
La présente description prévoit également de combiner les caractéristiques détaillées dans les exemples précédents. Par exemple on peut prévoir qu’une pastille combustible 1 comprenne une pluralité de plaques 111, chaque plaque étant montée sur un corps central 110 distinct, les corps centraux 110 n’étant pas continus le long de la pastille 1.
La pastille combustible 1 peut être fabriquée par fabrication additive. L’insert 11 et le matériau combustible 10 peuvent être formés couche par couche pour obtenir la pastille 1. Selon un autre exemple, l’insert peut être formé par extrusion ou par moulage. Le matériau combustible 10 peut être ajouté à l’insert 11, par exemple en ajoutant le matériau combustible 10 sous forme de poudre puis par frittage.
Le corps externe 112 peut être fabriqué par fabrication additive. Selon un autre exemple, le corps externe 112 est formé par dépôt physique en phase vapeur pour limiter son épaisseur.
Exemples particuliers de réalisation
Des simulations ont été effectuées pour étudier les différents modes de réalisation décrits. Les pastilles sont créées à l’aide d’un logiciel de CAO commercialisé sous l’appellation « SolidWork » et modélisées par maillage. Des calculs en conduction thermique en trois dimensions 3D sont effectués sur ces pastilles à l’aide de son module « Simulation Professionnel » dans sa version 2019. Le gain en conductivité thermique et en températures maximales de la pastille avec insert est évalué par comparaison avec la température maximale du matériau combustible d’UO2d’une pastille standard d’un REP 900 MWe de la filière française.
Pour les exemples suivants, les puissances linéiques des pastilles sont prises égales à 300 W/cm, puissance normale de fonctionnement des crayons REP et à 500 W/cm relevant plus du domaine accidentel.
Pour les exemples suivants, les dimensions de la pastille 1 et de l’insert 11 sont indiquées dans les tableaux 2 et 3. Selon cet exemple, la pastille 1 et les plaques 111 sont cylindriques et de section circulaire.
Diamètre de la pastille combustible (mm) 8,36
Longueur L1de la pastille combustible (mm) 13,7
Diamètre des plaques (mm) 8,2
Épaisseur des plaques (µm) 0,23 à 0,69
Nombre de plaques de l’insert 2 à 6
Géométrie de la pastille à insert 10% volume de l’insert métallique dans pastille UO2
Nombre de plaques de métal de l’insert Épaisseur des plaques (mm) Épaisseur d’UO2 entre deux plaques (mm)
2 0,69 4,11
3 0,46 3,08
4 0,34 2,47
5 0,27 2,06
6 0,23 1,76
Le gain thermique de ce concept est évalué par comparaison avec la température maximale du combustible oxyde d’une pastille standard d’un REP 900 MWe de la filière française.
Les puissances linéiques des pastilles choisies pour les calculs s’élèvent à 300 W/cm correspondant aux conditions standards de fonctionnement du crayon et de 500W/cm puissance plus élevée relevant plus du domaine accidentel.
Les températures maximales des pastilles sont calculées et comparées à celles d’un combustible céramique standard dans le tableau 4 pour plusieurs exemples de réalisation avec 2, 4, 6 plaques 111 de zirconium pleines, c’est-à-dire sans ouverture d’épaisseur indiquée dans le tableau 3. L’insert 11 représente un volume de 10% par rapport au volume total de la pastille. Un contact parfait est supposé entre les plaques 111 métalliques et l’UO2ainsi qu’entre la pastille et la gaine.
Une baisse des températures maximales des pastilles comprise entre 43 et 183°C est calculée respectivement pour 2 à 6 plaques 111 de zircaloy dans une pastille 1.
Cette baisse s’accroît favorablement de 111°C à 301°C respectivement pour 2 à 6 plaques de zircaloy dans une pastille pour une puissance plus élevée de 500 W/cm.
Avec des plaques 111 identiques en molybdène ou en chrome, les températures calculées sont abaissées favorablement d’environ de 10 à 15% par rapport à celles obtenues pour des plaques en zircaloy.
Nombre de plaques en Zircaloy (volume de l’insert 10% par rapport au volume de la pastille) Épaisseur des plaques (mm) Température maximales (°C) pastilles selon la puissance linéique
373 W/cm 500 W/cm
0 0,69 1093 1461
2 0,46 1050 1350
4 0,34 959 1240
6 0,27 910 1160
Avec une ouverture centrale 1110, le métal est éloigné du centre de la pastille, point le plus chaud de la pastille. Les températures calculées à 500 W/cm sont abaissées à 801°C avec un insert comprenant une ouverture centrale, au lieu de 970°C au centre de la pastille ce qui permet de gagner environ 169°C sur les marges à fusion d’un insert comprenant des plaques avec une ouverture centrale par rapport à sans ouverture centrale. Il a en outre été observé que ces écarts radiaux de température s’accroissent avec la puissance.
Des calculs de température faits précédemment ont été extrapolés pour des plaques comprenant une ouverture centrale 1110 et des ouvertures périphériques 1111, remplies d’UO2. Les dimensions des ouvertures sont indiquées dans le tableau 5. Avec 80% en volume occupé de molybdène ou de chrome par plaque et 20% d’ouverture remplies d’UO2, pour 8% en volume de l’insert 11 par rapport au volume de la pastille, les conductivités des plaques avec ouverture restent largement supérieures à celle des plaques pleines en zircaloy.
Ainsi, les gains en températures maximales des pastilles avec des plaques 111 ajourées correspondent à ceux indiqués dans le tableau 4 avec un volume de l’insert 11 réduit à 8 % du volume de la pastille combustible 1.
Fraction volumique de l’insert Nombre d’ouvertures Diamètre ouverture central 1110 (mm) Diamètre ouvertures périphériques 1111 (mm)
8 % 5 2,6 1,23
8 % 3 2,6 1,74
8 % 10 2,6 0,82
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que l’invention améliore la conductivité thermique et réduit les températures maximales d’une pastille combustible comprenant un insert métallique.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par l’invention. La présente invention ne se limite pas aux exemples précédemment décrits. Bien d’autres variantes de réalisation sont possibles, par exemple par combinaison de caractéristiques précédemment décrites, sans sortir du cadre de l’invention. En outre, les caractéristiques décrites relativement à un aspect de l’invention peuvent être combinées à un autre aspect de l’invention.
Les exemples détaillés en description le sont en référence à une géométrie cylindrique de la pastille et de l’insert métallique. Les caractéristiques décrites sont toutefois applicables à d’autres géométries de l’insert et/ou de la pastille, par exemple une géométrie rectangulaire.

Claims (16)

  1. Pastille combustible (1) présentant un axe central (A) d’extension principale comprenant :
    • un matériau combustible (10) nucléaire fissile, et
    • au moins un insert (11) métallique disposé dans le matériau combustible (10) et comprenant une pluralité de plaques (111), chaque plaque (111) s’étendant dans une section transversale de la pastille combustible (1) perpendiculaire à son axe central (A),
    caractérisée en ce que :
    • l’insert (11) est configuré pour représenter une proportion comprise entre 5 % et 15 % du volume total de la pastille combustible (1), et
    • chaque plaque (111) présente un volume solide supérieur à 50% du volume total de la plaque (111) et une épaisseur sensiblement comprise entre 0,2 et 1,5 mm, et
    • au moins une plaque (111), et de préférence chaque plaque (111), comprend une ouverture centrale (1110) disposée au centre de la plaque (111).
  2. Pastille combustible (1) selon la revendication précédente, dans laquelle le rapport entre une dimension la plus grande (D1110) de l’ouverture centrale (1110) et une dimension externe (D1) de la section transversale de la pastille combustible (1) est compris entre 2 et 4.
  3. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, au moins une plaque (111), et de préférence chaque plaque (111), comprend au moins une ouverture périphérique (1111) non disposée au centre de la plaque, présentant une dimension la plus grande (D1111) sensiblement comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm.
  4. Pastille combustible (1) selon la revendication précédente, pour au moins deux plaques (111) disposées consécutivement selon l’axe central (A) et comprenant au moins une ouverture périphérique (1111), les ouvertures périphériques (1111) des au moins deux plaques consécutives (111) ne sont pas totalement en regard entre elles.
  5. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans laquelle au moins une plaque (111), et de préférence chaque plaque (111), comprend entre quatre et dix ouvertures (1110, 1111).
  6. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, au moins une plaque (111), et de préférence chaque plaque (111), comprenant une pluralité d’ouvertures (1110, 1111), la pluralité d’ouvertures présente une symétrie de rotation autour de l’axe centrale (A).
  7. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins une plaque (111), et de préférence chaque plaque (111), présente une dimension externe la plus grande (D111), inférieure à 95 %, de préférence à 90 %, de préférence à 80 % d’une dimension externe (D1) de la section transversale de la pastille combustible (1).
  8. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’insert (11) métallique comprend un nombre de plaques compris entre 2 et 6.
  9. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’insert (11) métallique comprend un corps central (110) creux sur lequel est disposée la pluralité de plaques (111).
  10. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l’insert (11) métallique comprend un corps externe (112) configuré pour former le pourtour extérieur (1a) de la pastille combustible (1).
  11. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’insert (11) métallique est à base d’un métal présentant une conductivité thermique supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible (10).
  12. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’insert (11) métallique est à base d’un métal réfractaire, de préférence choisi parmi le zircaloy, le chrome, le molybdène et leurs alliages.
  13. Pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’insert (11) métallique comprend du platine.
  14. Crayon combustible (2) comprenant au moins une pastille combustible (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, entourée d’une gaine.
  15. Assemblage (3) pour réacteur nucléaire (4) comprenant un faisceau de crayons combustibles (2) selon la revendication précédente.
  16. Réacteur nucléaire (4) comprenant au moins un assemblage (3) selon la revendication précédente.
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MEDVEDEV ET AL.: "Conductive inserts to reduce nuclear fuel temperature", JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS, vol. 531, 2020

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