FR3140980A1 - Nuclear fuel assembly with fissile zone of lower height with enlarged needles, topped with a liquid metal plenum and a neutron absorbing plate, FNR reactor cooled by associated liquid metal. - Google Patents
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Abstract
Assemblage de combustible nucléaire à zone fissile de moindre hauteur avec aiguilles élargies surmontée d’un plénum de fluide caloporteur et d’une plaque absorbant les neutrons, Réacteur RNR-Na associé. L’invention concerne un assemblage de combustible nucléaire (1) comportant : - un faisceau d’aiguilles (100) de combustible nucléaire, chaque aiguille comprenant une gaine logeant une colonne (14) exclusivement fissile, la hauteur de la colonne étant inférieure ou égale à 65 cm, le diamètre externe de gaine des aiguilles étant supérieur ou égal à 9 mm, - un corps d’assemblage comportant un boîtier (10) sous la forme d’un tube hexagonal fermé et étanche à un liquide caloporteur destiné à traverser le faisceau, la portion centrale (12) du boîtier enveloppant le faisceau, tandis que la portion supérieure (11) formant la tête d’assemblage loge un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS) rempli de matériau absorbant neutronique, le boîtier comprenant une portion intermédiaire définissant un volume de plénum, - une portion inférieure formant le pied de l’assemblage, dans le prolongement du boîtier, le pied étant adapté pour laisser passer le liquide caloporteur traversant l’assemblage. Figure pour l’abrégé : Fig. 5ANuclear fuel assembly with fissile zone of lower height with enlarged needles surmounted by a heat transfer fluid plenum and a neutron absorbing plate, associated FNR-Na reactor. The invention relates to a nuclear fuel assembly (1) comprising: - a bundle of nuclear fuel needles (100), each needle comprising a sheath housing an exclusively fissile column (14), the height of the column being less than or equal to at 65 cm, the external diameter of the needle sheath being greater than or equal to 9 mm, - an assembly body comprising a housing (10) in the form of a closed hexagonal tube and sealed to a heat transfer liquid intended to pass through the beam, the central portion (12) of the housing enveloping the beam, while the upper portion (11) forming the assembly head houses a superior neutron protection device (PNS) filled with neutron absorbing material, the housing comprising an intermediate portion defining a plenum volume, - a lower portion forming the foot of the assembly, in the extension of the housing, the foot being adapted to allow the heat transfer liquid passing through the assembly. Figure for abstract: Fig. 5A
Description
La présente invention concerne un assemblage combustible pour réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR (acronyme anglais de «Sodium Fast Reactor») et qui fait partie de la famille des réacteurs dits de quatrième génération.The present invention relates to a fuel assembly for a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, in particular liquid sodium called RNR-Na or SFR (English acronym for “ Sodium Fast Reactor ”) and which is part of the family of so-called reactors. fourth generation.
Les assemblages combustibles visés par l’invention peuvent être aussi bien utilisés dans un réacteur nucléaire de type intégré, c’est-à-dire pour lequel le circuit primaire de sodium avec des moyens de pompage est totalement contenu dans une cuve contenant également des échangeurs de chaleur, que dans un réacteur de type à boucles, c’est-à-dire pour lequel les échangeurs intermédiaires de chaleur et les moyens de pompage du sodium primaire sont situés hors de la cuve.The fuel assemblies covered by the invention can also be used in a nuclear reactor of the integrated type, that is to say for which the primary sodium circuit with pumping means is completely contained in a tank also containing exchangers of heat, than in a loop type reactor, that is to say for which the intermediate heat exchangers and the means for pumping the primary sodium are located outside the tank.
Par « assemblage combustible », on entend un ensemble comprenant des éléments combustibles et chargé et/ou déchargé dans/depuis un réacteur nucléaire.By “fuel assembly” is meant an assembly comprising fuel elements and loaded and/or unloaded into/from a nuclear reactor.
Par « assemblage combustible de type RNR-Na ou SFR », on entend un assemblage combustible adapté pour être irradié dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR.By “RNR-Na or SFR type fuel assembly” is meant a fuel assembly adapted to be irradiated in a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid sodium called RNR-Na or SFR.
Par « tube hexagonal », on entend un tube dont la section transversale est hexagonale régulière.By “hexagonal tube” we mean a tube whose cross section is regular hexagonal.
Par « cœur homogène », on entend un cœur d'un réacteur à neutrons rapides dans lequel sont introduits des assemblages combustibles uniquement fissiles. A contrario, un « cœur hétérogène » est un cœur dans lequel est (sont) introduit(s) un (ou plusieurs) assemblages combustibles entièrement ou partiellement fertiles.By “homogeneous core”, we mean a core of a fast neutron reactor into which only fissile fuel assemblies are introduced. Conversely, a “heterogeneous core” is a core into which one (or more) fully or partially fertile fuel assemblies are introduced.
Bien que décrite en référence à l’application principale visée, à savoir un réacteur RNR-Na (caloporteur sodium), l’invention s’applique à tout type de RNR refroidi par du métal liquide (plomb, plomb-bismuth, etc.).Although described with reference to the main intended application, namely an FNR-Na reactor (sodium coolant), the invention applies to any type of FNR cooled by liquid metal (lead, lead-bismuth, etc.) .
Les assemblages combustibles destinés à être utilisés dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium liquide (RNR-Na), présentent une structure mécanique particulière afin notamment de laisser passer le sodium liquide en leur sein.Fuel assemblies intended for use in liquid sodium-cooled fast neutron reactors (FNR-Na) have a particular mechanical structure in particular to allow liquid sodium to pass through them.
On a représenté en figures 1 à 2B, un assemblage combustible 1 classiquement utilisé dans au moins une partie d’un réacteur nucléaire RNR-Na.We show in Figures 1 to 2B, a fuel assembly 1 conventionally used in at least part of an FNR-Na nuclear reactor.
Un tel assemblage 1 de forme allongée selon un axe longitudinal X comprend tout d’abord un tube ou boitier 10 à section hexagonale, fermé et étanche sur le pourtour, dont la portion supérieure 11 forme la tête de préhension de l’assemblage et peut loger un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS), et dont la portion centrale 12 enveloppe des aiguilles de combustible 100.Such an assembly 1 of elongated shape along a longitudinal axis a superior neutron protection device (PNS), the central portion of which 12 envelops fuel needles 100.
Les portions 11, 12 forment une même enveloppe tubulaire 10 ou boîtier de section hexagonale identique sur toute sa hauteur. La tête 11 de l’assemblage comporte une ouverture centrale 110 débouchant en son sein et utilisée pour sa manutention.The portions 11, 12 form the same tubular envelope 10 or housing of identical hexagonal section over its entire height. The head 11 of the assembly has a central opening 110 opening into it and used for its handling.
La portion centrale 12 d’un assemblage comprend une pluralité d’aiguilles de combustible nucléaire. Chaque aiguille 100 se présente sous la forme d’un tube de gaine cylindrique étanche en acier et fermé aux deux extrémités par un bouchon soudé à l’intérieur de laquelle est empilée une colonne 14 de pastilles de combustible fissile au sein desquelles se produisent les réactions nucléaires qui dégagent de la chaleur. Toutes les colonnes 14 définissent ce que l’on dénomme usuellement la zone fissile qui est approximativement située à mi-hauteur d’un assemblage 1. Cette zone fissile 12 peut présenter une hauteur H égale à 1 m. Le diamètre externe Φ des aiguilles peut être de l’ordre de 9,5mm. La gaine des aiguilles 100 constitue ainsi la première barrière de confinement dont il est très important de préserver l’intégrité en la protégeant des agressions extérieures telles que des chocs/contraintes mécaniques ou des températures excessives.The central portion 12 of an assembly comprises a plurality of nuclear fuel needles. Each needle 100 is in the form of a sealed cylindrical steel sheath tube closed at both ends by a welded cap inside which is stacked a column 14 of fissile fuel pellets within which the reactions take place. nuclear weapons that release heat. All columns 14 define what is usually called the fissile zone which is approximately located halfway up an assembly 1. This fissile zone 12 can have a height H equal to 1 m. The external diameter Φ of the needles can be around 9.5mm. The sheath of the needles 100 thus constitutes the first containment barrier whose integrity it is very important to preserve by protecting it from external attacks such as mechanical shocks/constraints or excessive temperatures.
L’assemblage 1 comprend enfin une portion inférieure 13 formant le pied de l’assemblage, dans le prolongement du boîtier 10. Le pied 13 de l’assemblage présente une extrémité distale 15 en forme de cône ou arrondie pour pouvoir être inséré à la verticale dans les chandelles du sommier (support) d’un cœur de réacteur. Le pied 13 de l’assemblage comporte à sa périphérie des ouvertures 16 débouchant en son sein.The assembly 1 finally comprises a lower portion 13 forming the foot of the assembly, in the extension of the housing 10. The foot 13 of the assembly has a distal end 15 in the shape of a cone or rounded so that it can be inserted vertically in the candles of the bed base (support) of a reactor core. The foot 13 of the assembly has at its periphery openings 16 opening into it.
Ainsi, en configuration installée d’un assemblage combustible, c’est-à-dire en position chargée dans un cœur de réacteur, le pied 13 d’un assemblage 1, de forme mâle, est inséré dans une ouverture du sommier du réacteur en maintenant ainsi l’assemblage 1 dans ce dernier avec son axe longitudinal X à la verticale. On précise que le sommier est un caisson formant un réservoir de sodium primaire sous pression qu’il distribue à l’ensemble des assemblages via les ouvertures dans le pied 13.Thus, in the installed configuration of a fuel assembly, that is to say in the loaded position in a reactor core, the foot 13 of an assembly 1, of male shape, is inserted into an opening in the base of the reactor in thus maintaining the assembly 1 in the latter with its longitudinal axis X vertical. It should be noted that the bed base is a box forming a primary sodium reservoir under pressure which it distributes to all of the assemblies via the openings in foot 13.
Le sodium primaire peut circuler à l’intérieur du boîtier 10 de l’assemblage 1 et ainsi véhiculer par conduction thermique la chaleur dégagée par les aiguilles de combustible. Le sodium est ainsi introduit par les ouvertures 16 du pied 13 et sort par l’ouverture centrale 110 de la tête 11, après avoir traversé le faisceau d’aiguilles combustibles. Autrement dit, comme symbolisé par les flèches en
Tous les assemblages d’un même réacteur sont agencés verticalement sur un sommier pour former un cœur à réseau compact à maille hexagonale.All the assemblies of the same reactor are arranged vertically on a base to form a compact hexagonal mesh network core.
Les assemblages en position sur le sommier sont espacés les uns des autres au niveau de leur corps, typiquement de quelques mm entre les faces en regard de deux boîtiers à section hexagonale adjacents.The assemblies in position on the bed base are spaced from each other at the level of their body, typically a few mm between the facing faces of two adjacent hexagonal section boxes.
Il est à noter que tous les réacteurs RNR-Na en étude, construction ou fonctionnement dans le monde, utilisent des assemblages ayant pour boîtier un tube hexagonal fermé (TH), tel que décrit ci-avant, qui constitue la référence depuis l’origine de cette filière nucléaire dans les années 60.It should be noted that all FNR-Na reactors under study, construction or operation throughout the world use assemblies having a closed hexagonal tube (TH) for casing, as described above, which has constituted the reference since the beginning. of this nuclear sector in the 1960s.
Une problématique de sûreté est liée à un comportement qu’un cœur de réacteur RNR-Na d’une forte puissance, typiquement supérieure à 1000 MW thermique, pourrait avoir en situation de prévention et mitigation d’accidents graves c’est-à-dire induisant une fusion partielle ou totale du cœur.A safety issue is linked to behavior that an FNR-Na reactor core with high power, typically greater than 1000 MW thermal, could have in a situation of prevention and mitigation of serious accidents, i.e. inducing partial or total melting of the heart.
Aussi les accidents graves sont étudiés afin de garantir des rejets radiologiques acceptables, et ce dès la phase de conception d’un réacteur.Serious accidents are also studied in order to guarantee acceptable radiological releases, starting from the design phase of a reactor.
Les RNR-Na n’étant pas dans leur configuration la plus réactive en fonctionnement normal, la puissance peut augmenter drastiquement en cas d’accident grave. La fusion du cœur et les relocalisations de gaines ou de combustible peuvent en effet conduire à des rejets radioactifs dans l’environnement.Since the RNR-Na are not in their most reactive configuration in normal operation, the power can increase drastically in the event of a serious accident. Core meltdown and cladding or fuel relocations can in fact lead to radioactive releases into the environment.
Par conséquent, la démonstration de sûreté d’un réacteur RNR-Na doit prouver le bon comportement du réacteur en cas d’accident grave et que suite à un tel accident, le réacteur peut être ramené et maintenu dans un état sécurisé.Consequently, the safety demonstration of an FNR-Na reactor must prove the good behavior of the reactor in the event of a serious accident and that following such an accident, the reactor can be brought back and maintained in a safe state.
Pour étudier un accident grave dans un RNR-Na, le déroulement de la séquence accidentelle est généralement découpé schématiquement en plusieurs phases comme suit :To study a serious accident in an RNR-Na, the progress of the accident sequence is generally divided schematically into several phases as follows:
- la phase d’initiation, qui débute à l’instant d’occurrence de l’évènement initiateur, alors que le réacteur est en régime de fonctionnement normal, et qui se termine au début de la dégradation des aiguilles de combustible ;- the initiation phase, which begins at the instant of occurrence of the initiating event, while the reactor is in normal operating mode, and which ends at the start of the degradation of the fuel pins;
- la phase primaire, qui débute à l’initiation de la dégradation des aiguilles, et qui se termine à la rupture du premier tube hexagonal (TH) d’un assemblage au sein du cœur. Cette phase est caractérisée par des mouvements majoritairement axiaux de matériaux fondus dans les assemblages dégradés, le cœur conservant sa géométrie d’ensemble ;- the primary phase, which begins with the initiation of needle degradation, and which ends with the rupture of the first hexagonal tube (TH) of an assembly within the heart. This phase is characterized by mainly axial movements of molten materials in the degraded assemblies, the core retaining its overall geometry;
- la phase de transition, qui correspond à la perte d’intégrité des TH, résultant soit de leur fusion, soit de leur perte de propriétés mécaniques. Cette phase est en fait le siège d’une transition entre la relocalisation axiale des matériaux fondus dans chaque assemblage, et la propagation radiale des matériaux dégradés entre les différents assemblages ;- the transition phase, which corresponds to the loss of integrity of the TH, resulting either from their fusion or from their loss of mechanical properties. This phase is in fact the site of a transition between the axial relocation of the melted materials in each assembly, and the radial propagation of the degraded materials between the different assemblies;
- la phase secondaire, pendant laquelle se forment un ou plusieurs bains fondus de grande dimension dans le cœur dégradé, pouvant être le siège de criticités réitérées ;- the secondary phase, during which one or more large molten pools form in the degraded core, which may be the site of repeated criticalities;
- la phase de relocalisation et de refroidissement pendant laquelle une partie de l’inventaire des matériaux du cœur est relocalisée jusqu’au récupérateur de matières fondues, dont il faut assurer le refroidissement.- the relocation and cooling phase during which part of the inventory of core materials is relocated to the molten material recoverer, the cooling of which must be ensured.
L’occurrence d’un accident grave peut résulter de différents évènements initiateurs. Pour des cœurs de grandes tailles (forte puissance), des études ont conduit à retenir comme initiateur de référence la séquence de perte de débit primaire sans chute des barres d’arrêt d’urgence (acronyme anglo-saxon ULOF pour « Unprotected Loss Of Flow »).The occurrence of a serious accident can result from different initiating events. For large cores (high power), studies have led to retaining as a reference initiator the sequence of loss of primary flow without falling emergency stop bars (Anglo-Saxon acronym ULOF for “Unprotected Loss Of Flow). ").
Un objectif que se sont fixés les inventeurs est de concevoir un cœur de réacteur RNR-Na qui, en situation d’accident grave ,c’est-à-dire de fusion généralisée du combustible, ne conduit pas à un dépôt d’énergie mécanique i.e. à la libération d’une énergie mécanique à des niveaux susceptibles d’endommager ou de nuire à l’intégrité des barrières de confinement radiologique, en particulier pour ce qui concerne la deuxième barrière (la cuve principale).An objective that the inventors have set for themselves is to design an FNR-Na reactor core which, in the event of a serious accident, that is to say widespread melting of the fuel, does not lead to a deposit of mechanical energy i.e. the release of mechanical energy at levels likely to damage or harm the integrity of the radiological containment barriers, in particular with regard to the second barrier (the main tank).
Cette énergie mécanique peut provenir de:
- l’interaction énergétique entre le combustible fondu et le sodium primaire liquide (phénomène appelé FCI, acronyme anglo-saxon pour « Fuel-Coolant Interaction »), interaction à l’origine d’une vaporisation soudaine du sodium liquide et de la propagation d’une onde de pression dans le circuit primaire du réacteur ;
- la vaporisation du combustible fondu, liée à une augmentation soudaine de la puissance du réacteur pour des raisons d’emballement de la réaction nucléaire en chaîne, par exemple du fait de la vidange du sodium, la vidange d’acier ou la compaction axiale du cœur de réacteur.
- the energetic interaction between the molten fuel and the liquid primary sodium (phenomenon called FCI, Anglo-Saxon acronym for “Fuel-Coolant Interaction”), interaction causing a sudden vaporization of the liquid sodium and the propagation of a pressure wave in the primary circuit of the reactor;
- the vaporization of molten fuel, linked to a sudden increase in reactor power for reasons of runaway nuclear chain reaction, for example due to sodium draining, steel draining or axial compaction of the core reactor.
Dans les deux cas, l’onde de pression provoquée est susceptible de nuire à l’intégrité de la cuve principale et de la dalle surmontant cette cuve, qui sont des composants constituant l’essentiel de la deuxième barrière de confinement des produits radiologiques.In both cases, the pressure wave caused is likely to harm the integrity of the main tank and the slab above this tank, which are components constituting the essential part of the second containment barrier for radiological products.
Cet objectif peut être résolu en mettant en œuvre un cœur hétérogène qui va, par conception, limiter le niveau d’énergie mécanique libérée. On peut citer ici les cœurs hétérogènes connus sous la dénomination « Cœur à Faible effet de Vidange » (CFV) ou encore celui décrit dans la demande de brevet FR2961337.This objective can be solved by implementing a heterogeneous core which will, by design, limit the level of mechanical energy released. We can cite here the heterogeneous cores known under the name “Low Emptying Effect Core” (CFV) or the one described in patent application FR2961337.
La principale spécificité des cœurs hétérogènes est que la contre-réaction neutronique liée à la dilatation ou à la vidange du sodium dans le cœur est globalement très faible, voire négative, contrairement aux cœurs homogènes. En conséquence :
- la phase d’initiation est beaucoup plus longue pour les coeurs hétérogènes que pour les coeurs homogènes. En cas d’ébullition, celle-ci n’entraîne pas d’excursion de puissance primaire,ni de libération de l’énergie mécanique associée à la détente du combustible qui découle de cette excursion, mais fait au contraire chuter la puissance totale du cœur. Selon les conditions de puissance, cette ébullition peut même se stabiliser dans les structures supérieures, auquel cas la séquence accidentelle s’arrête avant même la fusion du cœur ;
- si la fusion du cœur se produit, la puissance est largement plus faible que pour un cœur homogène, et cette fusion est beaucoup plus tardive. La possibilité d’interaction entre combustible fondu et sodium liquide (FCI) est donc largement diminuée, puisque le sodium est déjà vaporisé au moment de la fusion du combustible, contrairement à ce qui se passe dans un cœur homogène.
- the initiation phase is much longer for heterogeneous hearts than for homogeneous hearts. In the event of boiling, this does not cause a primary power excursion, nor a release of the mechanical energy associated with the expansion of the fuel which results from this excursion, but on the contrary causes the total power of the core to drop. . Depending on the power conditions, this boiling can even stabilize in the higher structures, in which case the accidental sequence stops even before the core melts;
- if core fusion occurs, the power is much lower than for a homogeneous core, and this fusion takes place much later. The possibility of interaction between molten fuel and liquid sodium (FCI) is therefore greatly reduced, since the sodium is already vaporized at the time of fuel fusion, unlike what happens in a homogeneous core.
Quel que soit le type de cœur, la gestion du combustible fondu (contrôle de la réactivité, refroidissement) peut être à prévoir.Whatever the type of core, management of the molten fuel (control of reactivity, cooling) may be required.
On a représenté aux figures 3 et 3A, un cœur hétérogène CHe, de type CFV tel qu’il a été envisagé dans le projet de réacteur ASTRID.Figures 3 and 3A show a heterogeneous CHe core, of the CFV type as it was envisaged in the ASTRID reactor project.
Le cœur hétérogène CHe comprend essentiellement trois parties : une partie de cœur interne CI, entourée d’une partie de cœur externe CE, elle-même entourée d’un réflecteur neutronique RE.The heterogeneous core CHe essentially comprises three parts: an internal core part CI, surrounded by an external core part CE, itself surrounded by a neutron reflector RE.
La partie de cœur interne CI comprend des assemblages combustibles 1’ à zone fissile surmontée d’une zone fertile et surmontant une autre zone fertile.The internal core part CI comprises fuel assemblies 1' with a fissile zone surmounted by a fertile zone and surmounting another fertile zone.
La partie de cœur externe CE comprend des assemblages combustibles 1 à zone uniquement fissile 12 comme ceux illustrés aux figures 1 à 2B.The external core part CE comprises fuel assemblies 1 with only fissile zone 12 like those illustrated in Figures 1 to 2B.
Par ailleurs, des barres de sécurité 2 et des barres de contrôle 3 sont implantées au sein de la partie de cœur interne CI.Furthermore, safety bars 2 and control bars 3 are installed within the internal core part CI.
L’intégralité des assemblages combustibles 1, 1’ définit des colonnes fissiles exclusivement fissiles ZFi dans la partie du cœur externe CE et des colonnes fissiles ZFi et fertiles CFe, ZFe en couches. Typiquement, la hauteur de la colonne fissile ZFi de la partie cœur externe CE est égale à 90cm, tandis que la hauteur cumulée des deux colonnes fissiles ZFi et de la colonne fertile Zfe entre les deux est égale à 80 cm.The entirety of the fuel assemblies 1, 1' defines exclusively fissile columns ZFi in the part of the external core CE and fissile columns ZFi and fertile CFe, ZFe in layers. Typically, the height of the fissile column ZFi of the outer core part CE is equal to 90 cm, while the cumulative height of the two fissile columns ZFi and of the fertile column Zfe between the two is equal to 80 cm.
Comme montré, le cœur hétérogène comprend un réflecteur RE présent autour et sur le dessous à la fois des parties CE et CI, une zone d’absorbant neutronique ZA et un plénum de sodium liquide PLE présent à la fois sur le dessous à la fois des parties CE et CI, avec une portion du plénum sur le côté interne de la partie CE.As shown, the heterogeneous core includes a reflector RE present around and on the underside of both the CE and CI parts, a neutron absorber zone ZA and a liquid sodium plenum PLE present on the underside of both the parts CE and CI, with a portion of the plenum on the internal side of the part CE.
Les cœurs hétérogènes CH engendrent des problématiques nouvelles, notamment du fait de la nécessité d’une plaque fertile médiane dans chaque assemblage 1’ qui va définir la colonne fertile ZFe. Ces problématiques sont en particulier la fabricabilité de la colonne de combustible (fissile et fertile), la tenue thermomécanique pendant la séquence accidentelle…Heterogeneous CH cores generate new problems, in particular due to the need for a median fertile plate in each 1' assembly which will define the ZFe fertile column. These issues are in particular the manufacturability of the fuel column (fissile and fertile), the thermomechanical resistance during the accident sequence, etc.
Pour atteindre l’objectif visé, au lieu d’envisager des cœurs hétérogènes, on peut ajouter des systèmes supplémentaires. Il est ainsi possible d’utiliser des barres de sûreté à déclenchement passif, qui permettent d’insérer des absorbants neutroniques suite au dépassement d’un seuil. Par exemple, le seuil peut être un débit inférieur à 40% pour une barre à déclenchement hydraulique, une température supérieure à 650°C pour un fusible thermique. Des dispositifs dont l’actionnement est dépendant de la pression en entrée du cœur permettent également de déplacer des niveaux libres de matériaux liquides absorbants, tels que du lithium. Cependant, l’ajout de tels systèmes apportent nécessairement de la complexité au réacteur dans sa globalité.To achieve the desired objective, instead of considering heterogeneous cores, additional systems can be added. It is thus possible to use passively triggered safety bars, which allow neutron absorbers to be inserted following a threshold being exceeded. For example, the threshold can be a flow rate less than 40% for a hydraulically triggered bar, a temperature greater than 650°C for a thermal fuse. Devices whose actuation depends on the inlet pressure of the heart also make it possible to move free levels of absorbent liquid materials, such as lithium. However, the addition of such systems necessarily brings complexity to the reactor as a whole.
On a représenté aux figures 4 et 4A un cœur de réacteur dit homogène CHo.Figures 4 and 4A show a so-called homogeneous CHo reactor core.
A l’instar d’un cœur hétérogène CH, un cœur homogène CHo comprend également une partie de cœur interne CI, entourée d’une partie de cœur externe CE et un réflecteur neutronique RE qui entoure la partie CE et est également présent en-dessous et au-dessus des deux parties CE, CI.Like a heterogeneous core CH, a homogeneous core CHo also includes an internal core part CI, surrounded by an external core part CE and a neutron reflector RE which surrounds the part CE and is also present below and above the two parts CE, CI.
Les deux parties, cœur interne CI et cœur externe CE comprennent exclusivement des assemblages combustibles 1 à zone uniquement fissile 12 comme ceux illustrés aux figures 1 à 2B.The two parts, internal core CI and external core CE exclusively comprise fuel assemblies 1 with only fissile zone 12 like those illustrated in Figures 1 to 2B.
Pour les cœurs homogènes CHo, tels qu’ils sont envisagés à ce jour, l’absence de dépôt d’énergie mécanique pendant une séquence accidentelle ne peut être démontrée. En effet, l’énergie mécanique déposée est calculée dans des conditions dites « best-estimate » (c’est-à-dire en suivant une méthodologie considérée comme la référence dans le domaine de l’étude des accidents impliquant la fusion généralisée du cœur, qui ne nécessite pas de considérer des incertitudes pénalisantes pour l’étude du transitoire), puis comparée à une valeur seuil de dimensionnement, par exemple égale à 800 MJ pour le réacteur Superphénix, évaluée dans le cadre d’une démarche de sûreté spécifique et enveloppe. Dans cette démarche, on considère des incertitudes pénalisantes afin de s’assurer d’englober l’ensemble de la variabilité possible d’un tel transitoire.For homogeneous CHo cores, as they are currently considered, the absence of mechanical energy deposition during an accident sequence cannot be demonstrated. Indeed, the mechanical energy deposited is calculated under so-called “best-estimate” conditions (i.e. following a methodology considered to be the reference in the field of the study of accidents involving generalized core meltdown). , which does not require considering penalizing uncertainties for the study of the transient), then compared to a design threshold value, for example equal to 800 MJ for the Superphénix reactor, evaluated as part of a specific safety approach and envelope. In this approach, we consider penalizing uncertainties in order to ensure that we encompass all of the possible variability of such a transient.
Les cœurs homogènes tels qu’actuellement envisagés ne peuvent atteindre l’objectif susvisé d’absence de dépôt d’énergie mécanique pendant toute la séquence accidentelle.Homogeneous cores as currently envisaged cannot achieve the aforementioned objective of absence of mechanical energy deposition during the entire accident sequence.
Il existe donc un besoin pour améliorer encore les réacteurs nucléaires de type RNR refroidis par métal liquide, notamment afin d’atteindre l’objectif d’absence de dépôt d’énergie mécanique dommageable pour les structures pendant toute une séquence accidentelle (phase primaire et secondaire) et ce, en s’affranchissant des problématiques des cœurs hétérogènes, et en n’ayant pas recours à des systèmes supplémentaires.There is therefore a need to further improve nuclear reactors of the FNR type cooled by liquid metal, in particular in order to achieve the objective of no deposit of mechanical energy damaging to the structures during an entire accident sequence (primary and secondary phase). ) and this, by overcoming the problems of heterogeneous cores, and by not having to resort to additional systems.
Le but de l’invention est de répondre à ce besoin.The aim of the invention is to meet this need.
Pour ce faire, l’invention concerne un assemblage de combustible nucléaire d’axe longitudinal comportant :To do this, the invention relates to a nuclear fuel assembly with a longitudinal axis comprising:
- un faisceau d’aiguilles de combustible nucléaire, chaque aiguille comprenant une gaine logeant une colonne de pastilles empilées de combustible exclusivement fissile, la hauteur de la colonne fissile étant inférieure ou égale à 65 cm, le diamètre externe de gaine des aiguilles étant supérieur ou égal à 9 mm,- a bundle of nuclear fuel needles, each needle comprising a sheath housing a column of stacked pellets of exclusively fissile fuel, the height of the fissile column being less than or equal to 65 cm, the external diameter of the sheath of the needles being greater than or equal to 9 mm,
- un corps d’assemblage comportant un boitier sous la forme d’un tube hexagonal fermé et étanche à un liquide caloporteur destiné à traverser le faisceau d’aiguilles, la portion centrale du boitier enveloppant le faisceau d’aiguilles, tandis que la portion supérieure formant la tête d’assemblage loge un dispositif de protection neutronique supérieure rempli de matériau absorbant neutronique, le boitier comprenant en outre une portion intermédiaire définissant un volume de plénum destiné à être rempli du liquide caloporteur,- an assembly body comprising a housing in the form of a closed hexagonal tube sealed against a heat transfer liquid intended to pass through the bundle of needles, the central portion of the housing enveloping the bundle of needles, while the upper portion forming the assembly head houses an upper neutron protection device filled with neutron absorbent material, the housing further comprising an intermediate portion defining a plenum volume intended to be filled with the heat transfer liquid,
- une portion inférieure formant le pied de l’assemblage, dans le prolongement du boitier, le pied étant adapté pour laisser passer le liquide caloporteur traversant l’assemblage.- a lower portion forming the foot of the assembly, in the extension of the housing, the foot being adapted to allow the heat transfer liquid passing through the assembly.
La hauteur de la colonne fissile peut être inférieure ou égale à 60cm.The height of the fissile column can be less than or equal to 60cm.
Le diamètre de gaine des aiguilles peut être supérieur à 10mm.The needle sheath diameter can be greater than 10mm.
Plusieurs dimensions d’aiguilles peuvent être envisagées dans le cadre de l’invention.Several dimensions of needles can be considered in the context of the invention.
On peut avoir ainsi des aiguilles de hauteur H1 de colonne fissile égale à 60 cm pour un diamètre externe D1 de gaine égal à 10mm.We can thus have needles with a height H1 of fissile column equal to 60 cm for an external diameter D1 of sheath equal to 10mm.
On peut avoir aussi des aiguilles plus importantes de hauteur H1 de colonne fissile égale à 65 cm pour un diamètre externe D1 de gaine égal à 13mm.We can also have larger needles with a height H1 of fissile column equal to 65 cm for an external diameter D1 of sheath equal to 13mm.
A contrario, on peut envisager des aiguilles moins importantes de hauteur H1 de colonne fissile égale à 55 cm pour un diamètre externe D1 de gaine égal à 9mm. Ces aiguilles moins importantes peuvent être dédiés à des cœurs de réacteur de moindre puissance. Par exemple, il peut s’agir de réacteurs d’une puissance de l’ordre de 100 MW thermique.Conversely, we can consider smaller needles with a height H1 of fissile column equal to 55 cm for an external diameter D1 of cladding equal to 9mm. These less important needles can be dedicated to lower power reactor cores. For example, these may be reactors with a power of around 100 MW thermal.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de protection neutronique supérieure (PNS) est constitué d’une plaque en au moins un matériau d’absorption neutronique choisi parmi le carbure de bore (B4C), plus ou moins enrichi en 10B, l'hafnium métallique, un matériau de type borure réfractaire, par exemple le HfB2et du TiB2, l'hexaborure d'europium EuB6ou le Eu203.According to an advantageous embodiment, the superior neutron protection device (PNS) consists of a plate made of at least one neutron absorption material chosen from boron carbide (B 4 C), more or less enriched in 10B, metallic hafnium, a refractory boride type material, for example HfB 2 and TiB 2 , europium hexaboride EuB 6 or Eu 2 0 3 .
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à réaliser un assemblage de combustible pour un réacteur RNR refroidi au métal liquide, avec une combinaison des quatre caractéristiques nouvelles par rapport aux assemblages connus, à savoir :Thus, the invention essentially consists of producing a fuel assembly for a liquid metal-cooled FNR reactor, with a combination of four new characteristics compared to known assemblies, namely:
- la présence d’un plenum sodium au-dessus du faisceau d’aiguilles ;- the presence of a sodium plenum above the needle bundle;
- l’implantation d’un dispositif d’absorption neutronique de préférence sous la forme d’une plaque absorbante ;- the installation of a neutron absorption device, preferably in the form of an absorbent plate;
- une hauteur de colonne fissile réduite, avantageusement inférieure ou égale à 60 cm ;- a reduced fissile column height, advantageously less than or equal to 60 cm;
- des aiguilles de diamètre élargi, avantageusement de l’ordre de 1 cm ou plus.- needles of enlarged diameter, advantageously of the order of 1 cm or more.
Ces quatre caractéristiques cumulées permettent ainsi de s’opposer aux principaux phénomènes aggravants que l’on rencontre en accident grave, à savoir respectivement la vidange du sodium, la vidange d’acier et la compaction axiale du cœur de réacteur.These four cumulative characteristics thus make it possible to oppose the main aggravating phenomena encountered in serious accidents, namely respectively the draining of sodium, the draining of steel and the axial compaction of the reactor core.
Jusqu’à présent, aucune solution proposée ne permettait de répondre à une absence de dépôt d’énergie mécanique pendant toute la séquence accidentelle d’un réacteur RNR.Until now, no solution proposed could address the absence of mechanical energy deposition during the entire accident sequence of an FNR reactor.
Certains cœurs homogènes ont été proposés avec des assemblages avec seulement trois des quatre caractéristiques énoncées. En particulier, la hauteur de la colonne fissile a toujours été maintenue à une valeur trop élevée, typiquement au-dessus de 70 cm ; pour des besoins de performance (teneur Pu, réserve de réactivité, pilotage etc.) et, pour les mêmes raisons, une réduction de cette hauteur n’a jamais été associée à une réduction de la puissance volumique via l’utilisation d’aiguilles de diamètre important.Some homogeneous cores have been proposed with assemblies with only three of the four stated characteristics. In particular, the height of the fissile column has always been maintained at too high a value, typically above 70 cm; for performance needs (Pu content, reactivity reserve, control etc.) and, for the same reasons, a reduction in this height has never been associated with a reduction in power density via the use of needles large diameter.
Par ailleurs, si la mise en œuvre d’un plénum sodium a déjà été combinée avec une plaque absorbante neutronique, elle ne permet pas de répondre intégralement à la problématique de la séquence ULOF pour les cœurs de puissance industrielle. Jusqu’à ce jour, le choix d’un homme du métier se portait donc nécessairement sur l’ajout de systèmes de sûreté complémentaires et spécifiques qui complexifient le design et le fonctionnement du réacteur.Furthermore, if the implementation of a sodium plenum has already been combined with a neutron absorber plate, it does not fully address the problem of the ULOF sequence for industrial power cores. Until now, the choice of a person skilled in the art has therefore necessarily focused on the addition of complementary and specific safety systems which complicate the design and operation of the reactor.
La baisse de la hauteur de la colonne fissile est connue en elle-même pour permettre une amélioration du comportement accidentel en séquence ULOF, mais cela n’a jamais été retenu pour les cœurs de forte puissance.Reducing the height of the fissile column is known in itself to allow an improvement in accidental behavior in ULOF sequences, but this has never been used for high-power cores.
Le choix d’implanter des aiguilles de diamètre élargi et donc de réduire la fraction de sodium dans l’assemblage va encore à l’encontre des choix naturels d’un homme du métier orientés vers des performances, qui complexifie d’autres aspects (pilotage, dimensionnement cuve…).The choice to install needles with an enlarged diameter and therefore to reduce the sodium fraction in the assembly still goes against the natural choices of a person skilled in the art oriented towards performance, which complicates other aspects (control , tank sizing, etc.).
L’augmentation de la hauteur de colonne fissile et la réduction du diamètre des aiguilles n’a donc jamais été retenu jusqu’à présent pour un cœur de forte puissance avec plénum et plaque absorbante neutronique.Increasing the height of the fissile column and reducing the diameter of the needles has therefore never been used until now for a high-power core with a plenum and neutron absorber plate.
Ainsi, en se focalisant sur la sûreté, qui est devenu l’objectif prioritaire des cœurs de réacteur RNR actuels, les inventeurs ont vaincu un préjugé en proposant une combinaison des quatre caractéristiques qu’un homme du métier s’était jusqu’alors interdit.Thus, by focusing on safety, which has become the priority objective of current FNR reactor cores, the inventors have overcome a prejudice by proposing a combination of the four characteristics that a person skilled in the art had until then prohibited.
Un autre avantage de l’invention est la simplification de la démarche de sûreté et donc du dimensionnement de composants primaires, en particulier de la cuve de réacteur.Another advantage of the invention is the simplification of the safety approach and therefore of the sizing of primary components, in particular of the reactor vessel.
L’invention concerne enfin une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na (ou SFR) et comprenant un cœur homogène logeant une pluralité d’assemblages de combustible nucléaire tel que décrit ci-avant.The invention finally relates to a nuclear installation comprising a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, in particular liquid sodium called RNR-Na (or SFR) and comprising a homogeneous core housing a plurality of nuclear fuel assemblies as described above.
L’invention permet d’éviter le recours à des systèmes de sûreté complémentaires (barres à déclanchement passif par une baisse de pression, fusibles, ….) qui ajoutent de la complexité au projet.The invention makes it possible to avoid the use of additional safety systems (bars passively triggered by a drop in pressure, fuses, etc.) which add complexity to the project.
Ainsi, selon l’invention, le cœur nucléaire du réacteur d’une installation nucléaire peut être exempte de dispositifs de sûreté complémentaires dédiés à l’atténuation des conséquences d’un accident d’ULOF.Thus, according to the invention, the nuclear core of the reactor of a nuclear installation can be free of additional safety devices dedicated to mitigating the consequences of a ULOF accident.
On peut envisager d’appliquer l’invention à un cœur de forte puissance et donc de volume important, typiquement supérieur à 1 m3.We can envisage applying the invention to a core of high power and therefore of large volume, typically greater than 1 m 3 .
En outre, une plus faible hauteur fissile permet d’avoir des assemblages plus petits, faciles à fabriquer, transporter et manutentionner car de plus faible puissance.In addition, a lower fissile height makes it possible to have smaller assemblies, easy to manufacture, transport and handle because of lower power.
D’autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will become clearer on reading the detailed description, given for illustrative and non-limiting purposes, with reference to the following figures.
Par souci de clarté, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques selon l’état de l’art et selon l’invention.For the sake of clarity, the same elements are designated by the same numerical references according to the state of the art and according to the invention.
On précise que dans l’ensemble de la demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus » sont à comprendre par référence à un assemblage combustible tels qu’il est en configuration verticale dans un réacteur nucléaire.It is specified that throughout the application, the terms “vertical”, “lower”, “upper”, “lower”, “high”, “below” and “above” are to be understood with reference to a fuel assembly such that it is in a vertical configuration in a nuclear reactor.
Les figures 1 à 4A relatives à l’état de l’art ont déjà été commentées en préambule. Elles ne le seront donc pas ci-après.Figures 1 to 4A relating to the state of the art have already been commented on in the preamble. They will therefore not be included below.
A la différence d’un assemblage 1 d’axe longitudinal (X) tel que celui de l’état de l’art décrit en référence aux figures 1 à 2B, le boîtier 10 assemblage 1 selon l’invention tel qu’illustré aux figures 5A et 5B, loge en outre entre la colonne fissile 12 et la tête de l’assemblage, une plaque en matériau absorbant neutronique 17, tel que du B4C, et comprend une portion intermédiaire 18 définissant un volume de plénum destiné à être rempli de sodium liquide.Unlike a longitudinal axis assembly 1 (X) such as that of the state of the art described with reference to Figures 1 to 2B, the housing 10 assembly 1 according to the invention as illustrated in the figures 5A and 5B, also houses between the fissile column 12 and the head of the assembly, a plate of neutron absorbent material 17, such as B4C, and comprises an intermediate portion 18 defining a plenum volume intended to be filled with sodium liquid.
En sus, chaque aiguille 100 de combustible présente un diamètre externe Φ1 élargi par rapport à celui Φ d’un assemblage des figures 1 à 2B. Ce diamètre Φ1 peut être égal à 10 mm ou plus.In addition, each fuel needle 100 has an external diameter Φ1 enlarged compared to that Φ of an assembly of Figures 1 to 2B. This diameter Φ1 can be equal to 10 mm or more.
Également, la hauteur H1 de la colonne fissile 12 présente une hauteur H1 moindre par rapport à celle H d’un assemblage des figures 1 à 2B. Cette hauteur H1 peut être égale à 60 mm ou moins.Also, the height H1 of the fissile column 12 has a lower height H1 compared to that H of an assembly of Figures 1 to 2B. This height H1 can be equal to 60 mm or less.
Avec la combinaison de ces quatre caractéristiques, on peut réaliser avec une pluralité d’assemblages combustibles 1 un cœur homogène de réacteur RNR-Na qui induit une absence de dépôt d’énergie mécanique pendant la séquence accidentelle (phase primaire et secondaire).With the combination of these four characteristics, it is possible to produce with a plurality of fuel assemblies 1 a homogeneous FNR-Na reactor core which induces an absence of mechanical energy deposition during the accident sequence (primary and secondary phase).
D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Other variants and improvements can be considered without departing from the scope of the invention.
[1] Annual Report 2016, GEN IV International Forum pp 52-56.[1] Annual Report 2016, GEN IV International Forum pp 52-56.
Claims (6)
- un faisceau d’aiguilles (100) de combustible nucléaire, chaque aiguille comprenant une gaine logeant une colonne (14) de pastilles empilées de combustible exclusivement fissile, la hauteur de la colonne fissile étant inférieure ou égale à 65 cm, le diamètre externe de gaine des aiguilles étant supérieur ou égal à 9 mm,
- un corps d’assemblage comportant un boîtier (10) sous la forme d’un tube hexagonal fermé et étanche à un liquide caloporteur destiné à traverser le faisceau d’aiguilles, la portion centrale (12) du boîtier enveloppant le faisceau d’aiguilles, tandis que la portion supérieure (11) formant la tête d’assemblage loge un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS) rempli de matériau absorbant neutronique, le boîtier comprenant en outre une portion intermédiaire définissant un volume de plénum destiné à être rempli du liquide caloporteur,
- une portion inférieure formant le pied de l’assemblage, dans le prolongement du boîtier, le pied étant adapté pour laisser passer le liquide caloporteur traversant l’assemblage.Nuclear fuel assembly (1) with longitudinal axis (X) comprising:
- a bundle of needles (100) of nuclear fuel, each needle comprising a sheath housing a column (14) of stacked pellets of exclusively fissile fuel, the height of the fissile column being less than or equal to 65 cm, the external diameter of needle sheath being greater than or equal to 9 mm,
- an assembly body comprising a housing (10) in the form of a closed hexagonal tube sealed against a heat transfer liquid intended to pass through the bundle of needles, the central portion (12) of the housing enveloping the bundle of needles , while the upper portion (11) forming the assembly head houses a superior neutron protection device (PNS) filled with neutron absorbent material, the housing further comprising an intermediate portion defining a plenum volume intended to be filled with the liquid heat carrier,
- a lower portion forming the foot of the assembly, in the extension of the housing, the foot being adapted to allow the heat transfer liquid passing through the assembly.
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- 2022-10-18 FR FR2210724A patent/FR3140980A1/en active Pending
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2023
- 2023-10-13 WO PCT/EP2023/078551 patent/WO2024083691A1/en unknown
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Also Published As
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