FR3122028A1 - Fuel pellet comprising an improved metal insert - Google Patents
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Abstract
Pastille combustible comprenant un insert métallique perfectionné. L’invention concerne une pastille combustible (1) comprenant un matériau combustible (10) nucléaire fissile, et au moins un insert (11) métallique disposé dans le matériau combustible (10). L’insert (11) métallique comprend un corps central (110) creux rempli par le matériau combustible (10), sur lequel est disposée une pluralité d’ailettes (111), chaque ailette (111) s’étendant radialement depuis le corps central (110) creux vers le pourtour extérieur (1a) de la pastille combustible (1). La pastille combustible (1) améliore la sûreté des crayons de combustibles en réduisant les risques d’altération de la gaine du crayon. La pastille combustible (1) présente une conductivité thermique améliorée. La pastille combustible (1) permet en outre de réduire le risque d’altération de la gaine par des produits de fission. La pastille présente une température de fusion plus élevée grâce au corps central Figure pour l’abrégé : Fig.2AFuel pellet comprising an improved metal insert. The invention relates to a fuel pellet (1) comprising a fissile nuclear fuel material (10), and at least one metal insert (11) disposed in the fuel material (10). The metal insert (11) comprises a hollow central body (110) filled with the combustible material (10), on which is arranged a plurality of fins (111), each fin (111) extending radially from the central body (110) hollow towards the outer periphery (1a) of the fuel pellet (1). The fuel pellet (1) improves the safety of fuel rods by reducing the risk of damage to the rod cladding. The fuel pellet (1) has improved thermal conductivity. The fuel pellet (1) also reduces the risk of clad alteration by fission products. The pellet has a higher melting temperature due to the central body Figure for abstract: Fig.2A
Description
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).The present invention relates to the field of fuel pellets for nuclear reactor fuel rods, and more particularly fuel pellets with a metal insert. It finds a particularly advantageous application in the field of fuel pellets for fuel rods of light water nuclear reactors, such as pressurized water reactors (PWR) and boiling water reactors (BWR).
ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
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.The core of a reactor is conventionally divided into fuel assemblies, loaded side by side in the reactor vessel. An assembly typically consists of a bundle of fuel rods. Each fuel rod typically comprises a plurality of pellets of fissile nuclear fuel material stacked inside the sheath.
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.The fuel pellet emits heat through fission reactions. This heat is conducted through the fuel pellet to the sheath and then transferred to the primary heat transfer fluid. The heat emitted is evacuated by the coolant from the core to the conventional island of the nuclear power plant, to transform it into electricity.
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.Thus, the primary function of the fuel rod is to produce, then to transmit the heat produced by the fission reactions within the combustible material to the coolant. The average linear powers in the nominal regime of a fuel pellet are typically between 150 and 300 W/cm. The low thermal conductivity of combustible materials, and in particular materials based on uranium oxide, creates a strong temperature gradient between the center and the periphery of the pellet, for example of the order of 600 to 700°C in normal conditions.
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. Les contraintes mécaniques entre la pastille et la gaine s’accroissent 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 corrosifs 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-CSCIn the event of a significant increase in power, the temperature at the core of the pellet rises sharply, typically to a temperature above 1,500°C, or even above 2,000°C. The mechanical stresses between the pellet and the cladding increase under the effect of thermal expansion, swelling of the pellet and reduction in the diameter of the cladding due to its creep under the effect of coolant pressure. At these temperatures, volatile fission products corrosive to the sheath, such as iodine, can additionally be released from the hotter center of the pellet. These phenomena can induce stress corrosion of the cladding, which can go as far as cladding rupture. They are commonly referred to by the term "Pad-Clad Interaction - Stress Corrosion", abbreviated 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.Furthermore, in the event of an accident, for example of the loss of primary coolant fluid type, a rise in the temperatures of the fuel pellets and of the cladding occurs due to the absence of cooling and to the residual powers of the rod. Simulation calculations have shown that the temporal thermal consequences of this accident on the fuel rod are all the less significant as the temperatures of the fuel pellets are low under normal conditions before the 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 inconvénient 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.To overcome these drawbacks, existing solutions consist in modifying the combustible material by modifying the chemical composition of the uranium compound to obtain a higher conductivity. These solutions have the disadvantage of inducing a different behavior in the reactor compared to the combustible materials commonly used. These solutions still require significant research and development to qualify these low-level fuels.
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.Pellets comprising microstructures, comprising clusters of uranium oxide surrounded by thin metal walls, are described in the literature. The thermal conductivity of the resulting fuel pellets is increased. However, in practice, these microstructures are irregular and difficult to reproduce. The microstructures indeed include discontinuities in the metal walls, clusters of metal and poorly controlled porosity, degrading the performance of the fuel pellets.
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 6 ailettes radiales convergentes en un point au centre de la pastille, permettant d’augmenter la conductivité thermique d’une pastille d’UO2. 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, présente une faible tenue sous irradiation avec un design mal adapté aux conditions d’irradiation. Dès lors, cette pastille ne garantit pas de ne pas aggraver le phénomène d’Interaction Pastille Gaine avec une corrosion sous contrainte (IPG-CSC).It is also known from the document Medvedev, et al. Conductive i n serts to reduce nuclear fuel temperature , Journal of Nuclear Materials, Volume 531, 2020, a fuel pellet concept comprising a molybdenum insert with 6 converging radial fins at a point in the center of the pellet, allowing to increase the thermal conductivity of a UO 2 pellet. This solution allows an increase in the thermal conductivity of the pellet but it remains in practice limited in terms of performance of the pellet. Indeed, it remains difficult to manufacture, has a low resistance under irradiation with a design that is poorly adapted to the irradiation conditions. Therefore, this pellet does not guarantee not to aggravate the phenomenon of Pad Sheath Interaction with stress corrosion (IPG-SCC).
Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution améliorant encore la sûreté des crayons de combustibles en réduisant les risques de détérioration de la gaine du crayon.An object of the present invention is therefore to propose a solution which further improves the safety of fuel rods by reducing the risks of deterioration of the rod cladding.
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.The other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from a review of the following description and the accompanying drawings. It is understood that other benefits may be incorporated.
RESUMESUMMARY
Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect on prévoit une pastille combustible comprenant :
- un matériau combustible nucléaire fissile, et
- au moins un insert métallique, disposé dans le matériau fissile et comprenant une pluralité d’ailettes, chaque ailette s’étendant radialement dans le matériau fissile, vers un pourtour extérieur de la pastille combustible,
- a fissile nuclear fuel material, and
- at least one metal insert, placed in the fissile material and comprising a plurality of fins, each fin extending radially in the fissile material, towards an outer periphery of the fuel pellet,
Avantageusement, l’insert métallique comprend un corps central creux sur lequel est disposée la pluralité d’ailettes, chaque ailette s’étendant radialement depuis le corps central creux vers le pourtour extérieur de la pastille.Advantageously, the metal insert comprises a hollow central body on which the plurality of fins are arranged, each fin extending radially from the hollow central body towards the outer periphery of the pellet.
L’insert métallique est ainsi configuré pour récupérer l’énergie thermique émise par le matériau combustible, en autorisant une conduction thermique le long du corps central creux et une conduction radiale de cette énergie le long des ailettes. L’insert forme des chemins de conduction de l’énergie thermique circonférentiels par le corps central creux, et radiaux le long des ailettes. Ces chemins sont continus, pour une meilleure conduction thermique depuis le centre vers l’extérieur de la pastille combustible. L’insert permet en outre une conduction thermique selon une direction sensiblement parallèle à l’axe central A. Les températures maximales de la pastille combustible et de la gaine sont ainsi fortement réduites. Ces solutions de propagation se différencient donc clairement des solutions mettant en œuvre des structures d’inserts en nid d’abeille ou de grilles.The metal insert is thus configured to recover the thermal energy emitted by the combustible material, by allowing thermal conduction along the hollow central body and radial conduction of this energy along the fins. The insert forms circumferential thermal energy conduction paths through the hollow central body, and radial along the fins. These paths are continuous, for better thermal conduction from the center to the outside of the fuel pellet. The insert also allows thermal conduction in a direction substantially parallel to the central axis A. The maximum temperatures of the fuel pellet and of the cladding are thus greatly reduced. These propagation solutions are therefore clearly different from solutions implementing structures of honeycomb inserts or grids.
Lors du développement de l’invention, il a été mis en évidence qu’un insert comprenant des ailettes radiales montée sur un corps central creux permet une augmentation de la marge à fusion des pastilles combustibles. En effet, le centre de la pastille est le point le plus chaud de la pastille et les températures de fusion des métaux sont généralement inférieures à celle du matériau combustible, notamment pour un matériau combustible céramique. 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 de la pastille combustible peut induire une fusion de l’insert métallique et la dégradation de sa structure.During the development of the invention, it was demonstrated that an insert comprising radial fins mounted on a hollow central body allows an increase in the melting margin of the fuel pellets. Indeed, the center of the pellet is the hottest point of the pellet and the melting temperatures of the metals are generally lower than that of the combustible material, in particular for a ceramic combustible material. In the event of a significant increase in power, or in the event of an accident, the temperature at the center of the fuel pellet increases sharply, for example to a temperature above 1,500°C or even 2,000°C. Consequently, the temperature that can be reached by the fuel pellet can induce a melting of the metal insert and the degradation of its structure.
Le corps central creux permet d’éloigner le métal du centre le plus chaud 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. Cette solution se démarque clairement des approches existantes, et notamment d’une structure dotée d’ailettes radiales convergentes en un point au centre de la pastille.The hollow central body makes it possible to move the metal away from the hottest center of the fuel pellet and thus offer good resistance of the insert to high thermal elevations while surprisingly allowing sufficient thermal conduction of the fuel pellet. This solution clearly stands out from existing approaches, and in particular a structure with converging radial fins at a point in the center of the pellet.
Selon un exemple, le corps central est rempli par le matériau combustible. 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 corrosifs 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 gazeux dans le crayon. Le risque d’altération de la gaine par les produits de fission corrosifs et les produits de fission gazeux est donc réduit.According to one example, the central body is filled with the combustible material. The hollow central body forms a physical barrier around the core of the pellet, capable of stopping fission products. The central body therefore allows a compartmentalization of the core of the fuel pellet and therefore a confinement of the corrosive fission products which are generated there. The risk of sheath corrosion by IPG-CSC is minimized. This also allows a delay in clad rupture in the event of an accident thanks to a drop in the pressure of the gaseous fission products in the rod. The risk of cladding alteration by corrosive fission products and gaseous fission products is therefore reduced.
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 est sensiblement compris entre 2 et 4, de préférence entre 2,5 et 3,5, plus préférentiellement encore sensiblement égal à 3,2. 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 de la pastille, par un éloignement adapté du métal du centre de la pastille combustible.According to one example, the ratio between an external dimension of the cross section of the fuel pellet and an external dimension of the cross section of the hollow central body is substantially between 2 and 4, preferably between 2.5 and 3.5, more preferably still substantially equal to 3.2. During the development of the invention, it was demonstrated that these relative dimensions between the outer periphery of the pellet and the hollow central body make it possible to synergistically improve the extraction of thermal energy from the hottest zone of the pellet and increasing the melting margin of the pellet, by appropriately moving the metal away from the center of the fuel pellet.
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. Le corps externe avec les ailettes et le corps central complète la compartimentalisation de la pastille combustible. Avec trois ailettes par exemple, trois compartiments fermés de matériau combustible sont créés entre les ailettes et le corps externe. 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 complétant la compartimentalisation de la pastille combustible, il retient dans chaque compartiment les produits de fission créés localement par fission et 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. Il en est de même pour les produits de fission gazeux qui sont retenus dans chaque compartiment et réduisent la pression interne du crayon et par conséquent réduisent les risques de détérioration de la gaine en cas d’accident.In one example, the metal insert includes an outer body configured to form the outer rim of the fuel pellet. Thus, the outer body forms a physical barrier around the pellet, capable of stopping the fission products. The outer body with the fins and the central body complete the compartmentalization of the fuel pellet. With three fins, for example, three closed compartments of combustible material are created between the fins and the outer body. The volatile fission products which are aggressive for the cladding propagate in particular at the level of radial cracks in the combustible material, going from the center of the pellet towards its outer periphery. A radial crack opening onto the clad leads to a concentration of volatile fission products favoring corrosion of the clad. The outer body completing the compartmentalization of the fuel pellet, it retains in each compartment the fission products created locally by fission and avoids this concentration of volatile fission products by confining them with respect to the sheath, while improving the heat exchange between the combustible material and the sheath. The same applies to the gaseous fission products which are retained in each compartment and reduce the internal pressure of the rod and consequently reduce the risks of damage to the cladding in the event of an accident.
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.A second aspect of the invention relates to a fuel rod comprising at least one fuel pellet, and preferably a plurality of fuel pellets, according to the first aspect, surrounded by a sheath.
Un troisième aspect de l’invention concerne un assemblage pour réacteur nucléaire comprenant un faisceau de crayons combustibles selon le deuxième aspect.A third aspect of the invention relates to an assembly for a nuclear reactor comprising a bundle of fuel rods according to the second aspect.
Un quatrième aspect de l’invention concerne un réacteur nucléaire comprenant un assemblage selon le troisième aspect.A fourth aspect of the invention relates to a nuclear reactor comprising an assembly according to the third aspect.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF 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 :The aims, objects, as well as the characteristics and advantages of the invention will emerge better from the detailed description of an embodiment of the latter which is illustrated by the following accompanying drawings in which:
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, ainsi qu’entre le corps central et le pourtour externe de la pastille combustible, ne sont pas nécessairement représentatives de la réalité.The drawings are given by way of examples and do not limit the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily scaled to practical applications. In particular, the relative dimensions between the length and the width of the fuel pellet, as well as between the central body and the outer perimeter of the fuel pellet, are not necessarily representative of reality.
DESCRIPTION DÉTAILLÉEDETAILED DESCRIPTION
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.Before starting a detailed review of embodiments of the invention, optional characteristics are set out below which may optionally be used in combination or alternatively.
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.According to one example, the combustible material is a fissile nuclear ceramic. According to one example, the combustible material is chosen from uranium oxide, mixed uranium and plutonium oxide, mixed thorium oxide.
Selon un exemple, le corps central creux présente un pourtour radial fermé délimitant un volume intérieur. Selon un exemple l’intérieur du corps creux est exempt d’ailette. 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.According to one example, the hollow central body has a closed radial periphery delimiting an interior volume. According to one example, the interior of the hollow body is free of fins. According to one example, the interior of the central body is filled only with combustible material. According to one example, the interior of the central body is completely filled with combustible material.
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.According to one example, the insert is configured to represent only a proportion substantially less than or equal to 15%, preferably substantially less than or equal to 10% of the total volume of the fuel pellet.
Selon un exemple l’insert est configuré pour représenter une proportion sensiblement supérieure ou égale à 5 % du volume total de la pastille combustible.According to one example, the insert is configured to represent a proportion substantially greater than or equal to 5% of the total volume of the fuel pellet.
Selon un exemple, l’insert est monobloc. Selon un exemple alternatif, le corps central avec ses ailettes et le corps externe sont distincts.According to one example, the insert is one-piece. According to an alternative example, the central body with its fins and the outer body are distinct.
Selon un exemple, le corps central et la pastille sont cylindriques et sont coaxiaux. Selon un exemple, le corps central, le corps externe et la pastille sont cylindriques et sont coaxiaux.According to one example, the central body and the pellet are cylindrical and are coaxial. According to one example, the central body, the outer body and the pellet are cylindrical and are coaxial.
Selon un exemple, la section transversale de la pastille combustible est sensiblement circulaire. Selon un exemple, la section transversale du corps central creux est sensiblement circulaire.According to one example, the cross-section of the fuel pellet is substantially circular. According to one example, the cross section of the hollow central body is substantially circular.
Selon un exemple, la dimension externe de la section transversale de la pastille combustible est son diamètre externe. Selon un exemple, une dimension externe de la section transversale du corps central creux est son diamètre externe.According to one example, the external dimension of the cross-section of the fuel pellet is its external diameter. According to one example, an external dimension of the cross section of the hollow central body is its external diameter.
L’axe central d’extension principale de la pastille combustible peut former un axe de révolution de la pastille.The central axis of main extension of the fuel pellet can form an axis of revolution of the pellet.
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’insert métallique comprend entre 3 et 8 ailettes prises selon une section perpendiculaire à une direction principale selon laquelle s’étend le corps central creux. Ce nombre d’ailette permet d’améliorer la conductivité thermique et de réduire fortement les températures maximales de la pastille combustible tout en limitant la quantité de métal dans la pastille. Ce nombre d’ailette, en synergie avec les épaisseurs décrites pour le corps central et pour les ailettes, permet une bonne fabricabilité et solidité de l’insert, et une bonne tenue en fonctionnement dans le temps.According to one example, the outer body has a thickness substantially greater than 5 μm. According to one example, the outer body has a thickness substantially less than 25 μm. According to one example, the outer body has a thickness substantially between 5 μm and 25 μm. According to one example, the metal insert comprises between 3 and 8 fins taken along a section perpendicular to a main direction along which the hollow central body extends. This number of fins makes it possible to improve the thermal conductivity and to greatly reduce the maximum temperatures of the fuel pellet while limiting the quantity of metal in the pellet. This number of fins, in synergy with the thicknesses described for the central body and for the fins, allows good manufacturability and solidity of the insert, and good resistance to operation over time.
Selon un exemple, les ailettes sont parallélépipédiques.According to one example, the fins are parallelepipedic.
Selon un exemple, l’au moins une ailette, de préférence chaque ailette, présente une épaisseur sensiblement supérieure à 250 µm. Cette gamme d’épaisseur facilite la fabrication et la solidité de l’insert métallique et améliore la tenue en fonctionnement dans le temps de la pastille combustible. En outre, l’insert présente ainsi une meilleure résistance aux déformations et aux dilatations. Selon un exemple, l’au moins une ailette, de préférence chaque ailette, présente une épaisseur sensiblement inférieure à 450 µm. La quantité de métal dans la pastille est ainsi limitée. Selon un exemple, l’au moins une ailette, de préférence chaque ailette, présente une épaisseur sensiblement comprise entre 250 µm et 450 µm. L’épaisseur des ailettes, leur nombre et la fraction volumique l’insert métallique dans la pastille sont de préférence liés.According to one example, the at least one fin, preferably each fin, has a thickness substantially greater than 250 μm. This range of thicknesses facilitates the manufacture and the solidity of the metal insert and improves the operating behavior over time of the fuel pellet. In addition, the insert thus has better resistance to deformation and expansion. According to one example, the at least one fin, preferably each fin, has a thickness substantially less than 450 μm. The amount of metal in the pellet is thus limited. According to one example, the at least one fin, preferably each fin, has a thickness substantially between 250 μm and 450 μm. The thickness of the fins, their number and the volume fraction of the metal insert in the pellet are preferably related.
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 cet exemple, au moins une ailette, et de préférence chaque ailette, s’étend du corps central sans atteindre le pourtour extérieur de la pastille. Ainsi, un contact direct de la gaine et des ailettes est évité, ce qui minimise et de préférence évite un gradient thermique néfaste sur la gaine en contact avec la pastille. Le rapport du diamètre de l’insert avec ses ailettes sur le diamètre de la pastille, chaque diamètre étant pris selon une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe central de la pastille, peut être inférieur à 1. Au moins une ailette, et de préférence chaque ailette, s’étend depuis le corps central creux jusqu’à une région située en bordure du pourtour extérieur de la pastille combustible. La région située en bordure, par rapport au pourtour extérieur de la pastille combustible, est située à une distance sensiblement inférieure à 20 %, de préférence sensiblement inférieure à 10%, et de sensiblement inférieure à 5%, du pourtour extérieur de la pastille combustible 1, selon une direction normale à la tangente au pourtour.According to one example, the insert does not include an outer body. Equivalently, the outer periphery of the pellet is formed by the combustible material. According to this example, at least one fin, and preferably each fin, extends from the central body without reaching the outer periphery of the pellet. Thus, direct contact between the sheath and the fins is avoided, which minimizes and preferably avoids a detrimental thermal gradient on the sheath in contact with the pellet. The ratio of the diameter of the insert with its fins to the diameter of the pellet, each diameter being taken in a direction substantially perpendicular to the central axis of the pellet, may be less than 1. At least one fin, and preferably each fin extends from the hollow central body to a region located at the edge of the outer perimeter of the fuel pellet. The region located at the edge, with respect to the outer periphery of the fuel pellet, is located at a distance substantially less than 20%, preferably substantially less than 10%, and substantially less than 5%, from the outer periphery of the fuel pellet 1, along a direction normal to the tangent to the circumference.
Selon un exemple, l’insert métallique comprenant un corps externe configuré pour former le pourtour extérieur de la pastille combustible, au moins une ailette, et de préférence chaque ailette, s’étend depuis le corps central creux 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.According to one example, the metal insert comprising an outer body configured to form the outer periphery of the fuel pellet, at least one fin, and preferably each fin, extends from the hollow central body to the outer body of the pellet combustible. Thus, the insert forms a path of thermal continuity to the outer body which distributes the heat evenly over the sheath.
Selon un exemple, le corps central creux et le corps externe sont reliés par au moins une ailette, de préférence par la pluralité d’ailettes. Ainsi, le matériau combustible est compartimentalisé pour assurer la rétention des PF volatils et gazeux qui sont créés in situ.According to one example, the hollow central body and the outer body are connected by at least one fin, preferably by the plurality of fins. Thus, the combustible material is compartmentalized to ensure the retention of volatile and gaseous FPs that are created in situ.
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.According to one example, the fuel pellet having a length in a parallel direction, and preferably coincident, with a central axis of main extension of the fuel pellet, the hollow central body extends over substantially the entire length of the fuel pellet. The insert thus allows thermal continuity of the central body over the entire length of the pellet.
Selon un exemple, la pastille présentant une longueur selon une direction parallèle, et de préférence confondue, avec un axe central d’extension principale de la pastille combustible, au moins une ailette, et de préférence la pluralité d’ailettes, s’étend sur sensiblement toute la longueur de la pastille combustible. L’insert permet ainsi une continuité thermique des ailettes sur toute la longueur de la pastille.According to one example, the pellet having a length in a direction parallel to, and preferably coinciding with, a central axis of main extension of the fuel pellet, at least one fin, and preferably the plurality of fins, extends over substantially the entire length of the fuel pellet. The insert thus allows thermal continuity of the fins over the entire length of the pad.
Selon un exemple, au moins une ailette, et de préférence la pluralité d’ailettes, forme une hélice centrée sur le corps central creux.According to one example, at least one fin, and preferably the plurality of fins, forms a helix centered on the hollow central body.
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, l’insert métallique comprend une pluralité de jeux d’ailettes. Chaque jeu d’ailettes peut comprendre au moins deux ailettes selon une section perpendiculaire à une direction principale selon laquelle s’étend le corps central creux. Chaque ailette de chaque jeu d’ailettes peut s’étendre sur une fraction seulement de la longueur de la pastille combustible. De préférence, la pluralité de jeux d’ailettes est répartie verticalement le long de la pastille combustible.According to one example, the fuel pellet having a length along a parallel direction, and preferably coincident, with a central axis of main extension of the fuel pellet, the metal insert comprises a plurality of sets of fins. Each set of fins can comprise at least two fins along a section perpendicular to a main direction along which the hollow central body extends. Each fin in each set of fins may extend only a fraction of the length of the fuel pellet. Preferably, the plurality of sets of fins is distributed vertically along the fuel pellet.
Selon un exemple, pour au moins deux jeux d’ailettes disposés consécutivement le long de la pastille combustible, les ailettes d’un jeu d’ailettes sont désalignées par rapport aux ailettes d’au moins un jeu d’ailettes consécutif.According to one example, for at least two sets of fins arranged consecutively along the fuel pellet, the fins of one set of fins are misaligned with respect to the fins of at least one consecutive set of fins.
Selon un exemple, pour au moins deux jeux d’ailettes disposés consécutivement le long de la pastille combustible, les ailettes d’un jeu d’ailettes sont alignées par rapport aux ailettes d’au moins un jeu d’ailettes consécutif.According to one example, for at least two sets of fins arranged consecutively along the fuel pellet, the fins of one set of fins are aligned with respect to the fins of at least one consecutive set of fins.
Selon un exemple, la pastille combustible comprend une pluralité d’inserts métalliques. De préférence, la hauteur des inserts selon une direction sensiblement parallèle à l’axe central de la pastille est sensiblement comprise entre 0,2 et 1 mm. De préférence, les inserts sont répartis verticalement à intervalle réguliers le long de la pastille combustible. Cela minimise la quantité de métal tout en répartissant les inserts dans la longueur de la pastille pour améliorer sa conductivité thermique.According to one example, the fuel pellet comprises a plurality of metal inserts. Preferably, the height of the inserts in a direction substantially parallel to the central axis of the patch is substantially between 0.2 and 1 mm. Preferably, the inserts are distributed vertically at regular intervals along the fuel pellet. This minimizes the amount of metal while spreading the inserts along the length of the pad to improve its thermal conductivity.
Selon un exemple, les inserts sont coaxiaux, par exemple consécutivement déposés selon une direction z sensiblement parallèle à l’axe central de la pastille.According to one example, the inserts are coaxial, for example consecutively deposited in a direction z substantially parallel to the central axis of the pellet.
Selon un exemple, pour au moins deux inserts métalliques disposés consécutivement le long de la pastille combustible, les ailettes d’un insert métallique, par exemple les ailettes d’un premier jeu d’ailettes d’un insert, sont désalignées par rapport aux ailettes d’au moins un insert métallique consécutif, par exemple les ailettes du premier jeu d’ailettes d’au moins un insert consécutif.According to one example, for at least two metallic inserts arranged consecutively along the fuel pellet, the fins of a metallic insert, for example the fins of a first set of fins of an insert, are misaligned with respect to the fins of at least one consecutive metal insert, for example the fins of the first set of fins of at least one consecutive insert.
Selon un exemple, pour au moins deux inserts métalliques disposés consécutivement le long de la pastille combustible, les ailettes d’un insert métallique, par exemple les ailettes d’un premier jeu d’ailettes d’un insert, sont alignées par rapport aux ailettes d’au moins un insert métallique consécutif, par exemple les ailettes du premier jeu d’ailettes d’au moins un insert consécutif.According to one example, for at least two metallic inserts arranged consecutively along the fuel pellet, the fins of a metallic insert, for example the fins of a first set of fins of an insert, are aligned with respect to the fins of at least one consecutive metal insert, for example the fins of the first set of fins of at least one consecutive insert.
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.The metal insert is based on or made of a metal. According to one example, the metal insert is based on or made of a metal having a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the combustible material.
Selon un exemple, l’insert métallique est à base ou fait d’un métal réfractaire, de préférence avec une absorption neutronique basse.According to one example, the metal insert is based on or made of a refractory metal, preferably with low neutron absorption.
De préférence, le métal choisi parmi le zircaloy, le chrome, le molybdène et leurs alliages.Preferably, the metal chosen from zircaloy, chromium, molybdenum and their alloys.
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.According to one example, the metal insert comprises platinum. According to one example, the metal insert is based on or even consists of platinum. Preferably, the insert comprises a surface layer based on platinum, deposited continuously or discontinuously on the surface of the insert. Preferably, the insert is based on an alloy comprising platinum.
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.
- positioned at a distance from each other, and/or
- movable relative to each other and/or
- secured to one another by being fixed by inserts, this fixing being removable or not.
Une pièce unitaire monobloc ne peut donc pas être constituée de deux pièces distinctes.A unitary one-piece part cannot therefore be made up of two separate parts.
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.In the following detailed description, use may be made of terms such as "longitudinal", "transverse", "upper", "lower", "top", "bottom", "front", "rear", "interior". », « outside ». These terms should be interpreted relatively in relation to the normal position of the fuel pellet in the rod. For example, the “longitudinal” direction corresponds to the direction of main extension of the fuel pellet, parallel to the central axis of main extension of the fuel pellet.
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.We will also use a marker whose longitudinal direction corresponds to the z axis, the transverse direction corresponds to the y axis and the front/rear direction corresponds to the x axis.
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.The cross section is thus the section taken perpendicular to the central axis of main extension of the fuel pellet, which is parallel to the z axis.
« 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."Internal" designates the elements or faces facing the interior of the fuel pellet, for example facing its central axis, and "external" designates the elements or faces facing the exterior of the fuel pellet, for example in being opposite to its central axis.
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.A parameter “substantially equal to/greater than/less than” a given value means that this parameter is equal to/greater than/less than the given value, to within plus or minus 10%, or even within plus or minus 5%, of this value.
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.By a material “based” on an element A, we mean that this material comprises the element or the species A, possibly supplemented by other elements or species.
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.In the context of the present invention, the thicknesses of an element or of a part are taken along a direction normal to the tangent to the surface of the element or of the part.
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.By a cylinder is meant a solid delimited by a surface of substantially parallel generating lines and two substantially parallel planes, preferably perpendicular to the generating lines. The cross section of a cylinder is preferably circular but not necessarily: it can be oval, oblong, ovoid or prismatic. Note that the term "cylinder" includes a substantially cylindrical shape, that is to say an imperfect cylindrical shape, for example in connection with manufacturing tolerances.
Les différents aspects de l’invention sont maintenant décrits selon plusieurs exemples de réalisation.The various aspects of the invention are now described according to several embodiments.
De façon générale, un réacteur nucléaire 4 comprend une cuve 40 dans laquelle un cœur 41 est disposé, comme l’illustre par exemple la
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
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
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’U238fertile. Le matériau combustible 10 peut par exemple être à base d’un oxyde mixte (abrégé MOX, de l’anglais Mixed 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.A fuel pellet 1 comprises a nuclear fuel material 10, fissile under irradiation in a nuclear reactor. This material 10 is shown in dotted lines in the figures representing an overall view of the pellet 1. The combustible material 10 can be a nuclear fuel ceramic. The combustible material 10 can for example be based on a uranium oxide, for example uranium dioxide of formula UO 2 . Uranium dioxide can be enriched with uranium U 235, for example to around 5%, the remainder being fertile U 238 . The combustible material 10 can for example be based on a mixed oxide (abbreviated MOX, English Mixed OXide) of uranium and plutonium (U, Pu) O 2 , for example with a Pu content of between 5 and 10% by mass relative to the total mass of U+Pu and depleted uranium, and/or a mixed thorium oxide of formula (U, Th)O 2 .
Ces matériaux combustibles en céramique sont généralement de faibles conducteurs thermiques. Lors du fonctionnement du réacteur, ceci induit de forts gradients thermiques radiaux 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 sa surface (ou pourtour extérieur 1a).These ceramic combustible materials are generally poor thermal conductors. During operation of the reactor, this induces strong radial thermal gradients in the fuel pellet, and therefore strong thermomechanical stresses in the fuel pellet. In nominal operation, the temperature of a fuel pellet is around 1,000°C in the center and 400 to 500°C on its surface (or outer perimeter 1a).
En cas d’augmentation importante de la puissance, la température au centre ou cœur de la pastille s’accroît fortement, par exemple jusqu’à 1 500 °C, voire au-delà de 2 000 °C dans certains cas.In the event of a significant increase in power, the temperature at the center or core of the pellet increases sharply, for example up to 1,500°C, or even beyond 2,000°C in some cases.
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.With the thermal expansions and the swelling of the pellet 1, there is a reduction in the diameter of the sheath 20 due to its creep under the effect of the pressure of the coolant. The constraints of pad 1 on sheath 20 increase.
A ces températures, des produits de fission (abrégé PF dans la suite) peuvent être relâchés. Parmi ces produits de fission, on distingue en particulier les produits de fission gazeux et les produits de fission volatils, pouvant aussi être désignés par produits de fission corrosifs. Les produits de fission gazeux sont typiquement des gaz rares, 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 forts transitoires de puissance.At these temperatures, fission products (abbreviated PF below) can be released. Among these fission products, a distinction is made in particular between gaseous fission products and volatile fission products, which can also be designated as corrosive fission products. The gaseous fission products are typically rare gases, and in particular xenon and/or krypton. These gases create thermomechanical stresses in pellet 1 and exert pressure on sheath 20, which may lead to its rupture in accident conditions. Volatile fission products, such as tellurium or iodine, are corrosive to the sheath. These fission products are released in particular during strong power transients.
Ces PF volatils se propagent notamment au niveau de fissures radiales dans le matériau combustible, allant du centre le plus chaud 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 volatils à proximité de la gaine, pouvant induire, avec les contraintes simultanées sur la gaine, une corrosion de la gaine, voire sa rupture.These volatile FPs propagate in particular at the level of radial cracks in the combustible material, going from the hottest center of the pellet towards its outer periphery. These cracks result in particular from deformations of the combustible material under the effect of thermomechanical stresses. A radial crack induces a concentration of volatile PF near the cladding, which can induce, with the simultaneous stresses on the cladding, corrosion of the cladding, or even its rupture.
Un objectif est donc de retarder, et de préférence d’empêcher l’émission et la propagation des PF dans la pastille combustible 1.One objective is therefore to delay, and preferably to prevent, the emission and propagation of FPs in the fuel pellet 1.
En outre en cas d’accident, il est important de pouvoir réduire les températures maximales des pastilles combustibles afin d’en réduire les conséquences thermiques temporelles et améliorer la sûreté des crayons.In addition, in the event of an accident, it is important to be able to reduce the maximum temperatures of the fuel pellets in order to reduce the temporal thermal consequences and improve the safety of the rods.
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 et réduire les températures maximales de la pastille 1 en formant une structure hautement conductrice de la chaleur évacuant radialement l’énergie thermique produite du centre vers la périphérie de la pastille. Cet insert 11 est en outre 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.To remedy this, the fuel pellet 1 further comprises a metal insert 11. The insert 11 is a metal structure or equivalently a metal structural element disposed in the combustible material 10. The insert 11 is configured to increase the thermal conductivity and reduce the maximum temperatures of the pellet 1 by forming a highly conductive structure of the heat radially evacuating the thermal energy produced from the center towards the periphery of the pellet. This insert 11 is also configured to confine the FPs at least to the center of the fuel pellet 1 in order to limit their propagation towards the outer periphery of the pellet 1 and therefore towards the sheath of the rod.
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. En outre, les métaux présentent généralement une légère absorption aux neutrons. Afin d’éviter un enrichissement supplémentaire en U235 de la pastille, il est préférable de limiter la quantité de métal présent dans la pastille combustible. Ces proportions minimisent le recours à un accroissement de l’enrichissement en uranium 235 de l’uranium du matériau combustible pour obtenir la même puissance de la pastille.Furthermore, the insert 11 is preferably configured to represent only a proportion substantially less than or equal to 15%, preferably substantially less than or equal to 10%, of the volume of the fuel pellet 1. In addition, the metals have generally a slight neutron absorption. In order to avoid an additional U235 enrichment of the pellet, it is preferable to limit the quantity of metal present in the fuel pellet. These proportions minimize the need for increased uranium 235 enrichment of the fuel material uranium to achieve the same pellet power.
Afin de concilier ces objectifs, l’insert 11 comprend un corps central 110 creux, sur lequel sont montées plusieurs ailettes 111 s’étendant radialement depuis le corps central creux vers le pourtour extérieur de la pastille combustible 11, comme illustré par exemple par la
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.The central body 110 extends along a main direction substantially parallel, and preferably coincident, with the central axis A of main extension of the fuel pellet 1, this axis being substantially parallel to the direction z. According to a preferred example, the central body 110 and the pellet form a coaxial structure. In the following, it is considered, without limitation, that the central body 110 and the patch are cylindrical and are coaxial.
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 peut nécessiter un sur enrichissement coûteux en U235pour compenser le volume en moins de matériau combustible au cœur de la pastille pour dispenser la même puissance.According to one example, the central body 110 has an interior volume not filled with the combustible material 10. The interior volume can be completely free of combustible material. However, this may require costly U 235 over-enrichment to compensate for the reduced volume of combustible material in the core of the pellet to deliver the same power.
Selon un exemple alternatif et préféré, le corps central 110 présente un volume intérieur rempli par le matériau combustible 10. Un avantage d’être rempli de combustible est d’éviter de sur enrichir en 235U le combustible restant pour dispenser la même puissance (moins coûteux). Le corps central 110 est en outre configuré pour confiner les PF au moins dans le 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. Les risques de corrosion par IPG/SCS sont réduits. L’intérieur du corps creux peut être exempt d’ailette. 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.According to an alternative and preferred example, the central body 110 has an interior volume filled with the combustible material 10. An advantage of being filled with fuel is to avoid over-enriching the remaining fuel with 235U to deliver the same power (less costly ). The central body 110 is also configured to confine the FPs at least in the center of the fuel pellet 1 in order to limit their propagation towards the outer periphery of the pellet 1 and therefore towards the sheath of the rod. The risks of corrosion by IPG/SCS are reduced. The interior of the hollow body may be free of fins. Preferably, the central body 110 is completely filled with the combustible material 10. Thus, the thermal contact between the combustible material 10 and the insert 11 is favored.
Comme par exemple illustré en
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. For this, the pellet 1 has a dimension D 1 taken between two opposite points of its cross-section relative to its central axis A, and the central body 110 has a dimension D 110 taken between two opposite points of its cross-section relative to the central axis A. Dimension D 1 may more particularly be the diameter of pellet 1. Dimension D 110 may more particularly be the outer diameter of central hollow body 110 . The ratio between D 1 and D 110 can be substantially between 2 and 4, preferably between 2.5 and 3.5, more preferably still substantially equal to 3.2. Note that when the insert 11 comprises an outer body 112 forming the outer periphery 1a of the patch, as described in more detail later, the diameter D 1 of the patch 1 includes the outer body 122 .
Comme par exemple illustré par la
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.According to one example, the central body 110 is formed by a wall with a thickness of between approximately 250 μm and 450 μm. This range of thicknesses allows good manufacturability of the insert and sufficient rigidity of the central body 110. The amount of metal in the pellet is also limited.
Comme par exemple illustré par la
Comme par exemple illustré par la
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
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.In order to minimize the quantity of metal in the fuel pellet 1, the outer body 112 potentially extending over a large surface of the pellet, its thickness can be limited. For example, the thickness of the outer body 112 can be substantially between 5 μm and 25 μm. This range of thickness makes it possible in particular to form a barrier to PFs by minimizing the quantity of metal in pellet 1.
Selon un exemple, l’insert 11 métallique comprend entre 3 et 8 ailettes 111. Comme illustré par les figures 4 à 5C, ce nombre d’ailettes est pris selon une section perpendiculaire à une direction principale selon laquelle s’étend le corps central 110. Un insert métallique 11 peut comprendre uniquement entre 3 et 8 ailettes, par exemple selon la
Selon un exemple, l’épaisseur des ailettes a été optimisée par le calcul à des valeurs comprises entre 250 à 450 µm suivant le nombre d’ailettes (voir tableau 5 et tableau 6) pour permettre une réduction des températures maximales de la pastille allant de 209°C à 611°C suivant les conditions de puissance.According to one example, the thickness of the fins has been optimized by calculation to values between 250 and 450 μm depending on the number of fins (see table 5 and table 6) to allow a reduction in the maximum temperatures of the pellet ranging from 209°C to 611°C depending on power conditions.
Les ailettes 111, de préférence avec le corps central 110, peuvent 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, comme par exemple illustré par la
Selon un autre exemple, l’insert peut comprendre une pluralité de jeux d’ailettes, chaque jeu d’ailettes étant situé sur une section du corps central creux 110 et comprenant 3 à 8 ailettes, selon l’exemple de la
Selon un exemple, les ailettes 111 s’étendent depuis le corps central 110 creux jusqu’au pourtour extérieur 1a de la pastille combustible 1. Selon un autre exemple, comme illustré en
Comme par exemple illustré par les figures 2B, et 4 à 5C, le corps central 110 et le corps externe 112 sont reliés par au moins une ailette 111, de préférence par chaque ailette 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.As for example illustrated by FIGS. 2B, and 4 to 5C, the central body 110 and the outer body 112 are connected by at least one fin 111, preferably by each fin 111. The heat exchange with the sheath is further improved by a continuous thermal path from the central body 110 to the outer body 112. In addition, the robustness of the insert 11 is improved.
L’insert 11 peut comprendre plusieurs jeux d’ailettes 111a, 111b, 111c, 111d, comme par exemple illustré en
Selon un exemple alternatif ou complémentaire, la pastille 1 peut comprendre une pluralité d’inserts 11a, 11b, 11c, 11d, comme par exemple illustré en
De préférence, les inserts 11a, 11b, 11c, 11d sont disposés à équidistance les uns des autres le long de la pastille 1 selon une direction parallèle à l’axe z. Le nombre d’inserts peut par exemple être compris entre 2 et 6. La longueur des différents inserts 11a, 11b, 11c, 11d peut être différente ou sensiblement égale. Selon un exemple, la longueur selon une direction parallèle à l’axe z d’au moins un, et de préférence de chaque, insert 11a, 11b, 11c est sensiblement comprise entre 0,2 mm et 1,5 mm, de préférence sensiblement comprise entre 0,20 mm et 2 mm.Preferably, the inserts 11a, 11b, 11c, 11d are arranged equidistant from each other along the patch 1 in a direction parallel to the z axis. The number of inserts can for example be between 2 and 6. The length of the different inserts 11a, 11b, 11c, 11d can be different or substantially equal. According to one example, the length in a direction parallel to the z axis of at least one, and preferably of each, insert 11a, 11b, 11c is substantially between 0.2 mm and 1.5 mm, preferably substantially between 0.20 mm and 2 mm.
Selon un exemple, les ailettes 111 d’un insert et/ou d’un jeu d’ailettes sont réparties radialement autour du corps central 110. Plus particulièrement, les ailettes 111 d’un insert et/ou d’un jeu d’ailettes sont consécutivement séparées par un même intervalle angulaire, par exemple sensiblement égal à 360 ° divisé par la somme du nombre d’ailettes 111.According to one example, the fins 111 of an insert and/or of a set of fins are distributed radially around the central body 110. More particularly, the fins 111 of an insert and/or of a set of fins are consecutively separated by the same angular interval, for example substantially equal to 360° divided by the sum of the number of fins 111.
Selon un exemple, entre différents inserts et/ou différents jeux d’ailettes, les ailettes 111 sont alignées entre elles de sorte que, dans une projection selon un plan perpendiculaire à l’axe central A, les ailettes 111 sont confondues.According to one example, between different inserts and/or different sets of fins, the fins 111 are aligned with each other so that, in a projection according to a plane perpendicular to the central axis A, the fins 111 coincide.
Selon l’exemple illustré en
Les ailettes 111 peuvent présenter une épaisseur sensiblement égale à l’épaisseur de la paroi du corps central 110, par exemple une épaisseur comprise entre 250 µm et 450 µm. Cette gamme d’épaisseur, pour les ailettes 111 et/ou pour le corps central 110, facilite la fabrication de l’insert métallique et améliore sa tenue dans le temps sous irradiation en réacteur. En outre, les ailettes 111 présentent ainsi une meilleure résistance aux déformations et aux dilatations du matériau combustible 10.The fins 111 may have a thickness substantially equal to the thickness of the wall of the central body 110, for example a thickness of between 250 μm and 450 μm. This range of thicknesses, for the fins 111 and/or for the central body 110, facilitates the manufacture of the metal insert and improves its resistance over time under irradiation in the reactor. In addition, the fins 111 thus have better resistance to deformation and expansion of the combustible material 10.
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. Des 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 leur température de fusion plus élevée. 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.The insert 11 is based or made of a metal, preferably based or made of a refractory metal. For example, the metal is chosen from zircaloy, chromium or molybdenum. Properties of these metals are indicated in Table 1. These metals are refractory metals with relatively low thermal neutron capture cross sections and have a higher thermal conductivity than UO 2 , substantially between 2 and 4 Wm -1 .K -1 . Molybdenum and chromium are preferred for their higher melting temperature. Zircaloy has the advantage of having good transparency to neutrons. On the other hand, its melting temperature and thermal conductivity are lower than the other two metals.
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 alcalinoterreux (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%.The combustible material 10 can be doped with at least one additive based on an alkaline earth metal, for example barium Ba, and/or based on an element of the platinum group, also referred to as a platinoid. The alkaline-earth metal is capable of trapping FPs. This trap can be an alkaline earth metal (for example barium and/or strontium and/or calcium) or an alkaline earth metal oxide (for example BaO, and/or SrO or CaO, or BaO 2 , or SrO 2 or CaO 2 ), as well as mixtures and combinations of the aforementioned species. The combustible material 10 may comprise, for example at the surface or near its surface, at least one anticorrosion material of the sheath comprising at least one alkaline-earth metal. The anti-corrosion material can form an internal coating of the sheath. According to one example, the anticorrosion material has a thickness substantially between 50 μm and 70 μm, thus making it possible to prevent corrosion up to a combustion rate of 10 at%.
Le matériau combustible 10 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 du matériau combustible, 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 d’uranium et de 6,69344.107moles d'iode/at%/g de combustible oxyde d’uranium. 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.The combustible material 10 may comprise, for example on the surface or near its surface, at least one anticorrosion element of the sheath belonging to the platinum group, which may be palladium or ruthenium or rhodium or osmium or iridium or platinum, so as to form tellurium and/or iodide compounds with this element of the platinum group and the FPs generated. This doping allows both an increase in the thermal conductivity of the combustible material, and allows better retention of corrosive FPs. The anticorrosion element can form an internal coating of the sheath. According to one example, the quantity of element of the platinum group is substantially greater than or equal to the total quantity of tellurium and/or iodine, produced by the fission at the target maximum combustion rate of the combustible material 10. The numbers of moles of tellurium and/or iodine, of iodine created in the fuel are close to 1.15276.10 6 moles of tellurium/at%/g of uranium oxide fuel and 6.69344.10 7 moles of iodine/at%/g of uranium oxide fuel. Thus, the calculated quantity of palladium to form a compound of the PdTe type for a combustion rate of 20 at%, is 1 g of palladium which represents approximately 2 μm of palladium distributed over the entire external surface of the pellets or the entire surface inside the sheath at the level of the fissile column.
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 le piégeage des PF corrosifs.According to an alternative or complementary example, the insert 11 comprises an element of the platinum group, which can be palladium or ruthenium or rhodium or osmium or iridium or preferably platinum. According to one example, the metal insert is based on, or even consists of, platinum. Preferably, the insert 11 comprises a surface layer based on platinum, deposited continuously or discontinuously on the surface of the insert. The surface layer may have a thickness substantially less than or equal to 5 μm, preferably less than or equal to 2 μm. Preferably, the insert 11 is based on an alloy comprising platinum. Thus, the insert 11 is capable of forming tellurium and/or iodide compounds and thus improving the trapping of corrosive FPs.
La présente description prévoit également de combiner les caractéristiques détaillées dans les exemples précédents. Par exemple on peut prévoir un insert 11 comprenant un corps externe 112 reliant entre eux une pluralité de jeux d’ailettes, chaque jeu étant rattaché à un corps central 110, ou encore que chaque insert 11 comprenne un corps externe 112, les corps externes 112 n’étant pas continus le long de la pastille 1.The present description also provides for combining the characteristics detailed in the previous examples. For example, an insert 11 may be provided comprising an outer body 112 interconnecting a plurality of sets of fins, each set being attached to a central body 110, or even each insert 11 comprising an outer body 112, the outer bodies 112 not being continuous along pad 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.The fuel pellet 1 can be manufactured by additive manufacturing. The insert 11 and the combustible material 10 can be formed layer by layer to obtain the pellet 1. According to another example, the insert can be formed by extrusion or by molding. The combustible material 10 can be added to the insert 11, for example by adding the combustible material 10 in powder form and then by sintering.
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.The outer body 112 can be made by additive manufacturing. According to another example, the outer body 112 is formed by physical vapor deposition to limit its thickness.
EE xempleexample s particulierss individuals de réalisationof achievement
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 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.Simulations were carried out to study the different embodiments described. The pads are created using CAD software marketed under the name “SolidWork” and modeled by mesh. Three-dimensional 3D thermal conductivity calculations are carried out on these pellets using its "Professional Simulation" module in its 2019 version. The gain in thermal conductivity is evaluated by comparison with the maximum temperature of the combustible material of UO 2 a standard pellet from a 900 MWe PWR from the French sector.
Pour les exemples suivants, les puissances linéiques des pastilles sont prises égales à 300 W/cm, correspondant à une puissance normale de fonctionnement des crayons REP et à 500 W/cm relevant plus du domaine accidentel.For the following examples, the linear powers of the pellets are taken as equal to 300 W/cm, corresponding to a normal operating power of PWR rods and to 500 W/cm relating more to the accidental domain.
Pour les exemples suivants, les dimensions de la pastille 1 et de l’insert 11 sont indiquées dans le tableau 2. Selon cet exemple, la pastille 1, le corps central 110 creux et le corps externe 112 sont cylindriques et de section circulaire.For the following examples, the dimensions of the pellet 1 and of the insert 11 are indicated in table 2. According to this example, the pellet 1, the hollow central body 110 and the outer body 112 are cylindrical and of circular section.
Les températures au centre de la pastille pour un insert avec et sans corps central 110 sont décrites dans le tableau 3. Sans corps central, l’insert comprend 4 ailettes convergentes en un point au centre de la pastille.The temperatures at the center of the pellet for an insert with and without a central body 110 are described in table 3. Without a central body, the insert comprises 4 converging fins at a point in the center of the pellet.
4 ailettes et corps centralT (°C) in the center of the disc for an insert with
4 fins and central body
4 ailettes sans corps centralT (°C) in the center of the disc for an insert with
4 fins without central body
Avec le corps central 110, 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 un corps central creux, au lieu de 970°C au centre de la pastille ce qui permet de gagner environ 169°C sur les marges à fusion du concept avec corps central par rapport au concept sans corps central avec les ailettes convergentes en un point. Il a été observé que ces écarts radiaux de température s’accroissent avec la puissance (cf. tableaux 5 et 6)With the central body 110, the metal is moved away from the center of the pellet, the hottest point of the pellet. The temperatures calculated at 500 W/cm are lowered to 801°C with an insert comprising a hollow central body, instead of 970°C in the center of the pellet, which saves approximately 169°C on the melting margins of the concept with central body compared to the concept without central body with the fins converging in one point. It has been observed that these radial temperature differences increase with power (see tables 5 and 6)
L’influence thermique du corps externe 112 sur les températures de la pastille 1 a été calculée pour une puissance linéique de 300 W/cm (cf. tableau 4). Le gradient thermique dans l’épaisseur de la couche du corps externe (ΔT) s’élève à 2,09°C pour 25 µm d’épaisseur de Zircaloy. Les résultats de calcul pour des épaisseurs de cylindre plus fines avec d’autres métaux sont donnés sur le tableau qui suit. Pour des épaisseurs plus faibles et des conductivités plus importantes, ce qui est le cas pour le Cr et le Mo, ce gradient devient inférieur à 1°C. Cela signifie que l’influence thermique du corps externe est faible sur les températures maximales des pastilles. L’intérêt du corps externe est notamment de permettre une compartimentalisation du matériau combustible nucléaire avec ses PF.The thermal influence of the external body 112 on the temperatures of pellet 1 was calculated for a linear power of 300 W/cm (see table 4). The thermal gradient in the thickness of the outer body layer (ΔT) amounts to 2.09°C for 25 µm thickness of Zircaloy. The calculation results for thinner cylinder thicknesses with other metals are given in the following table. For lower thicknesses and higher conductivities, which is the case for Cr and Mo, this gradient becomes lower than 1°C. This means that the thermal influence of the external body is small on the maximum temperatures of the pellets. The interest of the outer body is in particular to allow a compartmentalization of the nuclear combustible material with its PF.
(W.m-1.K-1)Thermal conductivity
(Wm -1 .K -1 )
Cette fine couche de métal a démontré son efficacité vis-à-vis de la réduction du relâchement des PF volatils ou gazeux dans un combustible CERMET jusqu’à des taux de combustion significatifs. En effet, des pastilles de CERMETS (UO2-Mo) ont été fabriquées avec et sans dépôt de Mo de 5 µm d’épaisseur pour former le corps externe, les pastilles étant par ailleurs identiques. Ces pastilles ont été introduites dans des crayons séparés qui ont été irradiés en réacteur expérimental jusqu’à un taux de combustion élevé de 55 GWj/tU.This thin layer of metal has demonstrated its effectiveness in reducing the release of volatile or gaseous FPs in a CERMET fuel to significant burnups. Indeed, CERMETS pellets (UO 2 -Mo) were fabricated with and without Mo deposition 5 μm thick to form the external body, the pellets being otherwise identical. These pellets were introduced into separate rods which were irradiated in an experimental reactor up to a high burnup of 55 GWd/tU.
Après irradiation, les crayons ont fait l’objet d’examens destructifs. Le relâchement des PF gazeux a été mesuré à l’intérieur de la gaine du crayon à 2,1% des gaz de fission produits pour les crayons avec les pastilles sans la couche de molybdène alors qu’il est resté beaucoup plus bas à moins de 0,029% pour les crayons avec les pastilles recouvertes de molybdène.After irradiation, the rods were subjected to destructive examinations. The gaseous FP release was measured inside the rod cladding at 2.1% of the fission gases produced for the rods with the pellets without the molybdenum layer while it remained much lower at less than 0.029% for pencils with molybdenum-coated pellets.
Les températures maximales des pastilles 1 sont calculées et comparées à celles (Tstd) d’une pastille combustible standard dans les tableaux 5 et 6 pour des inserts 11 avec 3 à 8 ailettes en zirconium pour plusieurs épaisseurs d’ailettes, entre 250 et 450 µm. Entre ces exemples le corps externe garde une épaisseur constante. Les températures maximales calculées sans corps externe sont identiques à 2°C près (cf. Tableau 4).The maximum temperatures of pellets 1 are calculated and compared to those (T std ) of a standard fuel pellet in tables 5 and 6 for inserts 11 with 3 to 8 zirconium fins for several thicknesses of fins, between 250 and 450 µm. Between these examples the outer body keeps a constant thickness. The maximum temperatures calculated without external body are identical to within 2°C (see Table 4).
4
250
875
Dans tous les cas, les gains en températures maximales calculés sont compris entre 209 et 289°C à 300 W/cm. Ces gains déjà élevés s’accroissent encore avec la puissance et varient entre 521 à 611°C à 500 W/cm.In all cases, the calculated maximum temperature gains are between 209 and 289°C at 300 W/cm. These already high gains increase further with power and vary between 521 to 611°C at 500 W/cm.
Avec un insert en molybdène ou en chrome dont les conductivités thermiques sont supérieures à celles du Zircaloy (cf. tableau 7), les gains en températures maximales sont accrus par rapports aux précédents gains décrits dans les tableaux 5 et 6 de 49°C pour le chrome et de 58°C pour le molybdène pour une puissance de 300 W/cm et 10% vol. de métal et sont accrus de 68°C pour le chrome et 83°C pour le molybdène pour une puissance de 500 W/cm pour le même % vol. de métal. Un autre exemple de gain en température est donné pour 5% de volume de métal par rapport au volume total de la pastille dans ce même tableau.With a molybdenum or chromium insert whose thermal conductivities are higher than those of Zircaloy (see table 7), the gains in maximum temperatures are increased compared to the previous gains described in tables 5 and 6 of 49°C for the chromium and 58°C for molybdenum for a power of 300 W/cm and 10% vol. of metal and are increased by 68°C for chromium and 83°C for molybdenum for a power of 500 W/cm for the same % vol. of metal. Another example of temperature gain is given for 5% of metal volume relative to the total volume of the pellet in this same table.
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que l’invention propose une pastille combustible améliorant la sûreté des crayons de combustibles en réduisant les risques de détérioration de la gaine du crayon. La pastille combustible présente une conductivité thermique améliorée et permet de réduire fortement les températures maximales de la pastille en conditions normales et en conditions plus accidentelles avec des températures calculées beaucoup plus basses par rapport aux solutions existantes. Les conséquences thermiques temporelles de cet accident sur le crayon sont par conséquent moins importantes. La pastille combustible permet en outre de réduire le risque de corrosion de la gaine par les PF par IPG-CSC grâce, entre autres, au corps central. Enfin, la pastille présente une tenue à haute température plus élevée grâce à une température de fusion supérieure à celle des solutions existantes présentant du métal disposé au centre de la pastille.In view of the preceding description, it clearly appears that the invention proposes a fuel pellet improving the safety of fuel rods by reducing the risks of deterioration of the rod cladding. The fuel pellet has improved thermal conductivity and makes it possible to greatly reduce the maximum temperatures of the pellet in normal conditions and in more accidental conditions with much lower calculated temperatures compared to existing solutions. The temporal thermal consequences of this accident on the rod are therefore less significant. The fuel pellet also makes it possible to reduce the risk of corrosion of the cladding by the FPs by IPG-CSC thanks, among other things, to the central body. Finally, the pellet has a higher high temperature resistance thanks to a higher melting temperature than that of existing solutions having metal placed in the center of the pellet.
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.The invention is not limited to the embodiments previously described and extends to all the embodiments covered by the invention. The present invention is not limited to the examples described above. Many other variant embodiments are possible, for example by combining features previously described, without departing from the scope of the invention. Furthermore, features described in relation to one aspect of the invention may be combined with another aspect of the 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 en étoile ou polyédrique.The examples detailed in the description are with reference to a cylindrical geometry of the pellet and of the metal insert. The characteristics described are however applicable to other geometries of the insert and/or the pad, for example a star or polyhedral geometry.
Claims (22)
- un matériau combustible (10) nucléaire fissile et
- au moins un insert (11) métallique disposé dans le matériau combustible (10) et comprenant une pluralité d’ailettes (111), chaque ailette (111) s’étendant radialement dans le matériau combustible (10), vers un pourtour extérieur (1a) de la pastille combustible (1),
- a fissile nuclear combustible material (10) and
- at least one metal insert (11) disposed in the combustible material (10) and comprising a plurality of fins (111), each fin (111) extending radially in the combustible material (10), towards an outer periphery (1a ) of the fuel pellet (1),
Nuclear reactor (4) comprising at least one assembly (3) according to the preceding claim.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR2103968A FR3122028B1 (en) | 2021-04-16 | 2021-04-16 | Fuel pellet comprising an improved metal insert |
| FR2103968 | 2021-04-16 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3122028A1 true FR3122028A1 (en) | 2022-10-21 |
| FR3122028B1 FR3122028B1 (en) | 2023-12-22 |
Family
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Family Applications (1)
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2022
- 2022-04-06 WO PCT/EP2022/059155 patent/WO2022218782A1/en active Application Filing
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MEDVEDEV ET AL.: "Conductive inserts to reduce nuclear fuel temperature", JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS, vol. 531, 2020 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022218782A1 (en) | 2022-10-20 |
| FR3122028B1 (en) | 2023-12-22 |
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