FR3161981A1

FR3161981A1 - Pastille de combustible nucléaire intégrant au moins une cavité, dénuée de matière fissile, à section transversale sous la forme d’au moins une portion de spirale non débouchante vers l’extérieur de la pastille, Procédés de fabrication associés.

Info

Publication number: FR3161981A1
Application number: FR2404749A
Authority: FR
Inventors: Lionel DESGRANGES; Robin FERRANDEZ; Olivier Fiquet; Marc JOSIEN; Timothée DEVICTOR; Thomas DOUALLE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2024-05-06
Filing date: 2024-05-06
Publication date: 2025-11-07
Anticipated expiration: 2044-05-06
Also published as: FR3161981B1

Abstract

Pastille de combustible nucléaire intégrant au moins une cavité, dénuée de matière fissile, à section transversale sous la forme d’au moins une portion de spirale non débouchante vers l’extérieur de la pastille, Procédés de fabrication associés. L’invention consiste essentiellement en une pastille de combustible (6), comprenant : - un cylindre droit (60) de matière fissile d’axe central (X); - au moins une cavité (61 ; 61.1 à 61.10), dénuée de matière fissile, qui s’étend sur au moins une partie de la longueur de la pastille, la cavité étant conformée et orientée de telle sorte que sa section transversale droite par un plan transversal perpendiculaire à l’axe central X présente la forme d’au moins une portion d’au moins une spirale, la(les) cavité(s) étant axisymétrique(s) par rapport à l’axe central X et non débouchante(s) sur l’extérieur de la pastille. Figure pour l’abrégé : fig.4

Description

Pastille de combustible nucléaire intégrant au moins une cavité, dénuée de matière fissile, à section transversale sous la forme d’au moins une portion de spirale non débouchante vers l’extérieur de la pastille, Procédés de fabrication associés.

La présente invention concerne le domaine des éléments combustibles pour les réacteurs nucléaires, notamment les Réacteurs à Eau sous Pression ou Eau Pressurisée (REP) aussi désignés sous l’acronyme anglo-saxon PWR (Pressurized Water Reactor).

Plus précisément, elle se situe dans le domaine des combustibles de type céramique en oxyde d’uranium ou d’uranium et de plutonium (U, Pu)O₂ou MOX (acronyme pour «oxyde mixte »).

L’invention vise essentiellement à améliorer les propriétés de ces combustibles, et plus particulièrement à réduire leur fracturation lors d’une montée en puissance et en fonctionnement nominal.

Par « réacteurs nucléaires », dans l'ensemble de la demande, on comprend le sens usuel du terme à ce jour, à savoir des centrales de production d'énergie à partir des réactions de fission nucléaire utilisant des éléments combustibles dans lesquels se produisent les fissions qui libèrent la puissance calorifique, cette dernière étant extraite des éléments par échange thermique avec un fluide caloporteur qui assure leur refroidissement.

Par « crayon de combustible nucléaire », dans l'ensemble de la demande, on comprend le sens officiel défini par exemple, dans le dictionnaire des Sciences et Techniques nucléaires, à savoir un tube étroit de faible diamètre, fermé à ses deux extrémités, constituant du cœur d'un réacteur nucléaire et contenant de la matière fissile. Ainsi, une « aiguille de combustible nucléaire » est un crayon de combustible nucléaire mais dont la terminologie est d’usage pour les réacteurs à neutrons rapides.

Bien que décrite en référence à l’application aux Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), l’invention concerne des éléments combustibles qui peuvent être dédiés à tous types de réacteurs à vocation électrogène, calogène ou expérimentale, comme les Réacteurs à Eau Bouillante (REB), les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR), dont ceux refroidis par un métal liquide, notamment par du sodium liquide (RNR-Na) mais également plomb, plomb-bismuth, etc., et tous les réacteurs avancés de 3^èmeet 4^èmegénération.

Les réacteurs nucléaires qui utilisent l’énergie de fission pour produire de la chaleur peuvent être classés dans plusieurs catégories différentes en fonction de leurs caractéristiques : la forme d’énergie finale produite (électricité, chaleur…), le type de flux neutronique (neutrons rapides ou neutrons thermalisés), le fluide de refroidissement utilisé (métal liquide, eau…), l’état physique du fluide de refroidissement (liquide ou gazeux), le niveau de pression du fluide de refroidissement (par exemple atmosphérique pour les Réacteurs à Eau Bouillante et élevée pour les REP) …

Les assemblages combustibles permettent de produire de l’énergie en tirant partie de la réaction de fission nucléaire d’un combustible composé pour faible partie de noyaux lourds fissiles - l’isotope 235 de l’uranium – ainsi que de l’isotope 238 de l’uranium qui lui n’est que fertile (il va produire du plutonium 239 par capture neutronique).

Ce combustible est introduit dans un cylindre de section transversale circulaire, fermé à chacune de ces deux extrémités par un bouchon. Ce cylindre est dénommé crayon et décrit plus précisément ci-après. Le crayon est étanche et constitue la première barrière de confinement.

Les crayons sont regroupés par paquets et agencés suivant un réseau au pas carré. Pour les familles d’installation de la filière française appelées « paliers » de 900 MWe et 1300MWe, le nombre est de 264 crayons auxquels s’ajoutent 25 autres tubes, qui composent alors un assemblage qui incorpore également de nombreux éléments de structure (plaque de pied, grilles de maintien, un tube d’instrumentation, 24 tubes guide où coulissent 23 crayons de commande, plaque de tête, ressort de maintien, araignée pour la manipulation des crayons de commande) comme montré sur laFIG. 4du document .pdf précité.

EnFIG. 1, on a représenté un crayon de combustible nucléaire 1 selon l'état l’art qui est représenté dans sa configuration d'utilisation dans un réacteur nucléaire REP, c'est-à-dire en position verticale avec les pastilles 6 vers la partie inférieure comme précisé ci-dessous.

Le crayon 1 est constitué d'une gaine 2 classiquement en Zircaloy-4 (Zr4) fermée à chacune de ses extrémités par un bouchon respectivement supérieur 3 et inférieur 4 qui est soudé sur celle-ci. Ce crayon étanche est rempli d’hélium à 25 bars à froid pour contrebalancer en partie l’effet de la pression externe de 150 bars du fluide caloporteur.

L'intérieur de la gaine est essentiellement divisé en deux compartiments, dont l'un 5 en partie haute, entre le haut de la colonne fissile et le bouchon supérieur 3, constitue une chambre d'expansion de gaz et l'autre loge la colonne fissile formée par l'empilement de pastilles de combustible nucléaire 6 qui s'étendent chacune selon la direction longitudinale XX' du crayon 1.

La chambre d’expansion est un volume libre destiné à recevoir les PF sous forme gazeuse, appelés usuellement Gaz de Fission (GdF).

Dans l'empilement représenté, chaque pastille 6 a sensiblement la même longueur ou hauteur H.

Un ressort hélicoïdal de compression 7, en général en Inconel®, est logé dans la chambre d'expansion 5 avec son extrémité inférieure en appui contre la face supérieure de la pastille 6 la plus en hauteur de l’empilement des pastilles et son autre extrémité en appui contre le bouchon 3 supérieur.

En sus du maintien de l'empilement de pastilles 6 selon l'axe longitudinal XX' et «l'absorption » au cours du temps du gonflement longitudinal des pastilles 6, l'autre fonction de ce ressort 7 est d'empêcher le flambage de la section de la gaine sur son mode d'ovalisation. Autrement dit, il doit empêcher l'extrême ovalisation de la section de la gaine.

La fonction primaire d’un crayon combustible est de produire, puis de transmettre, la chaleur produite par les réactions de fission au sein du combustible.

A ce jour, une pastille combustible telle qu’elle est mise en œuvre dans un réacteur REP, est constituée d’oxyde d’uranium UO₂enrichi en U²³⁵à environ 5%, le complément étant de l’U²³⁸fertile.

Chaque pastille dégage, par fission nucléaire, de l’énergie sous forme de chaleur et qui varie au cours du temps en fonction de l’usure du combustible mais aussi, de la variation de l’altitude des crayons de commande.

La puissance ainsi dissipée est également fonction à la fois de la position de la pastille dans le crayon, la position du crayon dans l’assemblage et la position de l’assemblage dans le cœur.

Cette puissance est évacuée vers la source froide du circuit primaire (par exemple le sodium liquide de refroidissement) en rencontrant un certain nombre de résistances thermiques que l’on peut synthétiser comme suit :

un fort gradient entre le centre et la périphérie de la pastille induit par la faible conductivité thermique de l’UO₂;
un gradient thermique radial entre pastille et gaine du crayon. En effet, le joint entre pastille et gaine, entièrement gazeux (de l’hélium) en début d’irradiation, devient totalement comblé en début de second cycle. Toutefois, la rugosité de la pastille permet la présence discontinue de gaz qui n’est plus simplement de l’hélium mais comprend également des GdF : ainsi, le contact entre pastille et gaine n’est jamais parfait et crée donc, par sa résistance thermique, un gradient thermique radial;
la conduction thermique radiale à travers la gaine;
la résistance due à l’échange convectif radial entre la face externe de la gaine et le fluide caloporteur.

LaFIG. 2, issue de la publication [1] donne l’ordre de grandeur des températures dans une pastille de combustible dans un réacteur REP en régime de fonctionnement nominal.

L’utilisation d’un mix énergétique avec énergies renouvelables et énergie nucléaire impose de nouvelles contraintes d’exploitation à cette dernière.

En particulier, il faudra que la production d’énergie nucléaire soit capable de remonter en puissance avec une vitesse rapide après un fonctionnement prolongé d’un réacteur à basse puissance.

Cette nouvelle contrainte se traduit pour un combustible nucléaire par un risque de rupture de la gaine d’un crayon qui traduit un phénomène connu d’Interaction Pastille Gaine (IPG).

Ce risque est dû à la conjonction de plusieurs facteurs que l’on peut résumer ainsi :

- le fluage de la gaine sur la pastille de combustible,

- le gonflement de la pastille lors d’une montée en puissance,

- l’existence de fissures ou fractures dans la matière fissile de la pastille qui génèrent une surconcentration de contraintes dans la gaine à l’endroit où elles débouchent,

- l’existence de chemins de migration via les fissures pour les produits de fission corrosifs qui peuvent produire de la corrosion sous contrainte.

Il faut donc réduire le risque de rupture de la gaine lors d’une montée en puissance du crayon de combustible.

Cette problématique s’inscrit partiellement dans la thématique des combustibles améliorés pour la sûreté (ATF ou E-ATF).

Plusieurs grandes catégories de solutions ont été proposées pour cette thématique que l’on peut résumer ainsi:

une diminution de la température du combustible, en augmentant le transfert thermique entre le centre et la périphérie de la pastille combustible ;
une maîtrise de l’activité chimique de la pastille, avec l’utilisation de tampon ORP (potentiel d'oxydoréduction) pour inhiber la formation d’espèces corrosives ;
une optimisation de la forme de la pastille pour réduire les contraintes imposées à la gaine.

La solution selon la demande de brevet GB893742 A s’inscrit dans cette dernière catégorie : elle consiste à réaliser des ouvertures qui forment des vides dans la pastille le long de ses rayons, au nombre de trois, quatre ou six en fonction du design. Ces vides permettent certes d’accommoder le gonflement de la pastille mais ils ne permettent pas d’éviter la formation de coin(s) avec un angle pour au moins un morceau de pastille en regard de la gaine. Ces coins existent initialement lorsque les ouvertures sont débouchantes. En outre, les vides tels que proposés créent des points de fragilité mécanique qui vont entraîner la formation de fragments libres de faire un effet de coin et de laisser un passage pour la migration des produits de fission corrosifs.

Il existe par conséquent un besoin d’améliorer la conception de pastilles de combustible nucléaire, dont la matière fissile est plus particulièrement à base d’oxydes (U,Pu)O₂ou MOX, afin d’éviter à tout le moins réduire, le risque de rupture de la gaine d’un crayon logeant les pastilles, lors de la montée en puissance et en régime de fonctionnement nominal du cœur d’un réacteur, notamment un cœur de Réacteur à Eau Pressurisée (REP).

Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.

Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, une pastille de combustible nucléaire, comprenant :

- un cylindre droit de matière fissile d’axe central;

- au moins une cavité dénuée de matière fissile, qui s’étend sur au moins une partie de la longueur de la pastille, la cavité étant conformée et orientée de telle sorte que sa section transversale droite par un plan transversal perpendiculaire à l’axe central présente la forme d’au moins une portion d’au moins une spirale, la(les) cavité(s) étant axisymétrique(s) par rapport à l’axe central et non débouchante(s) sur l’extérieur de la pastille.

De préférence, la cavité s’étend sur toute la longueur de la pastille en étant non débouchante sur l’extérieur de la pastille.

Dans le cadre de l’invention, la longueur de la pastille signifie sa hauteur.

Par « spirale », on entend le sens usuel en géométrie plane, à savoir une courbe qu'engendre un point qui tourne autour d'un autre en s'éloignant ou en se rapprochant de plus en plus de ce centre. La largeur d’une cavité selon l’invention est la distance de l’espace dénué de matière fissile qui est délimité par deux courbes parallèles symétriques par rapport à la courbe engendrée par le point.

Par « spirale d’Archimède » on entend le sens usuel, à savoir une spirale qui démarre à l'origine et part vers l'infini en une infinité de spires régulièrement espacées. Ces spires sont non débouchantes vers l’extérieur d’une pastille selon l’invention.

Avantageusement, le diamètre interne de la(des) portion(s) de spirale(s) est compris entre 0 et la moitié du rayon du cylindre droit.

La largeur de la(des) portion(s) de spirale(s) peut être constante ou variable sur toute sa longueur.

Avantageusement la largeur de la(des) portion(s) de spirale(s) est inférieure ou égale à 1 mm.

Selon un mode de réalisation avantageux, chaque spirale est une spirale d’Archimède.

Avantageusement, la pastille comprend plusieurs spirales dont le centre est sur l’axe central de la pastille et qui s’enroule vers l’extérieur du cylindre droit, les spirales étant réparties de manière axisymétrique par rapport à l’axe central du cylindre droit.

Selon une variante de réalisation, le centre du cylindre est évidé en formant un cylindre droit intérieur.

Selon une autre variante de réalisation avantageuse, la(les) cavité(s) est(sont) remplie(s) au moins partiellement par un insert ou un matériau poreux, en matériau conducteur thermique. Un insert peut être avantageusement métallique ou en alliage métallique ou céramique.

Avantageusement, le matériau de l’insert est choisi parmi le Molybdène (Mo), le niobium (Nb) ou leurs alliages, de préférence un alliage NbZr ou un alliage NbZrC.

Avantageusement encore, la matière fissile du cylindre droit est choisie parmi l’oxyde d'uranium (IV) (UO₂), l’oxyde mixte (U,Pu)O₂ou un mélange mixte à base d'oxyde d'uranium et d'oxydes de plutonium retraités (MOx), ou tout autre céramique fissile.

Selon un mode de réalisation avantageux, le pourcentage volumique de la(des) cavité(s) est compris entre 1 et 10 %.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, au moins une des faces d’extrémité du cylindre droit comprend au moins un évidement de matière fissile et/ou un chanfrein sur sa périphérie.

L’invention concerne également un crayon de combustible nucléaire s'étendant selon une direction longitudinale (XX') comprenant :

- une pluralité de pastilles nucléaires telles que décrites précédemment, empilées les unes sur les autres ;

- une gaine en matériau transparent aux neutrons entourant l'empilement de pastilles.

Avantageusement, la gaine est en alliage de zirconium, notamment en Zircaloy-4 (Zr₄), ou en alliage M5^®(ZrNbO).

L’invention concerne également un assemblage de combustible nucléaire comprenant une pluralité de crayons de combustible comme ci-avant et agencés entre eux selon un réseau.

L’invention concerne également l’utilisation d’une pastille de combustible nucléaire telle que décrite précédemment ou d’un crayon de combustible comme décrit ci-avant dans un réacteur à eau pressurisée (REP).

Ainsi, l’invention consiste essentiellement en une pastille de combustible nucléaire qui intègre, au sein de son cylindre droit de matière fissile, au moins une cavité qui s’étend sur au moins une partie de la longueur de pastille et qui, en vue de coupe transversale, suit la forme d’au moins une portion de spirale non débouchante sur l’extérieur de la pastille.

Cette ou ces cavités en forme de spirale(s) permettent la compensation des déformations thermiques de la pastille lors des cycles de fonctionnement, notamment lors d’une montée rapide en puissance et en fonctionnement normal d’un réacteur.

Ces formes de spirales non débouchantes permettent aussi de limiter le transfert des produits de fissions potentiellement corrosifs.

Grâce à cela, la pastille ne se rompt pas lors de son fonctionnement en réacteur. Le fait de ne pas se rompre permet d’une part, d’éviter les effets de coins et la surconcentration des contraintes que ces derniers induisent dans une gaine qui entoure la pastille, et d’autre part, de limiter la migration de produits de fission corrosifs vers la face interne de la gaine.

Limiter à la fois les surconcentrations de contraintes et la migration des produits de fission corrosifs permet d’augmenter la tenue de la gaine lors d’une montée en puissance et devrait permettre d’étendre le domaine de fonctionnement d’une pastille de combustible nucléaire selon l’invention, pour en augmenter la flexibilité.

La fabrication d’une pastille selon l’invention est simple et peut être réalisée soit par métallurgie des poudres comme utilisée actuellement pour les pastilles de combustible pleines destinées aux réacteurs REP, soit selon un procédé de micro-extrusion de la céramique par fabrication additive (« Robocasting »).

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.

FIG. 1laFIG. 1est une vue schématique en coupe longitudinale d’un crayon de combustible nucléaire selon l’état de l’art, tel qu’il est mis en œuvre dans un réacteur nucléaire REP.

FIG. 2laFIG. 2illustre sous la forme d’une courbe les températures dans une pastille de combustible nucléaire selon l’état de l’art, en régime de fonctionnement nominal.

FIG. 3laFIG. 3est une vue schématique en perspective d’un motif M de base d’une aiguille de combustible nucléaire dont la gaine loge une pastille de combustible à cavité(s) en forme de spirale(s), non représentée(s), selon l’invention.

FIG. 4laFIG. 4est une vue schématique en perspective, d’une pastille combustible selon un exemple de l’invention, à cavités sous la forme de deux portions de spirales d’Archimède dont le point de création est sur l’axe central du cylindre droit de matière fissile de la pastille.

FIG. 5laFIG. 5est une vue schématique en coupe transversale de laFIG. 4.

FIG. 6laFIG. 6est une vue en coupe transversale d’une pastille combustible selon un exemple de l’invention, à cavités sous la forme de dix portions de spirales d’Archimède, issue d’un outil de Conception Assistée par Ordinateur (CAO), laFIG. 6montrant les niveaux de contrainte dans la pastille.

FIG. 7laFIG. 7est une vue analogue à laFIG. 6mais pour une pastille à cavités sous la forme de quatre portions de spirales d’Archimède.

FIG. 8laFIG. 8est une reproduction photographique d’une pastille comme selon les figures 4 et 5, obtenue par un procédé de micro-extrusion par fabrication additive d’une poudre d’alumine simulant une poudre d’UO₂en tant que matière fissile.

FIG. 9laFIG. 9est une illustration d’un essai de température montrant le profil de température généré par un chauffage laser sur une pastille réalisée comme selon laFIG. 8.

FIG. 10laFIG. 10est une reproduction photographique de l’état final d’une pastille obtenue selon laFIG. 8ayant subi une rampe de puissance laser conduisant à un gradient de température comparable à un cas de fonctionnement en réacteur.

FIG. 11laFIG. 11est une reproduction photographique de l’état final d’une pastille pleine selon l’état de l’art ayant subi une même rampe de puissance laser que la pastille selon laFIG. 10.

FIG. 12laFIG. 12illustre des variantes de réalisation d’une pastille de combustible selon l’invention.

Description détaillée

Par souci de clarté, un même élément selon l’état de l’art et selon l’invention est désigné par une même référence numérique.

Les figures 1 et 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne seront donc pas détaillées ci-après.

Dans les exemples ci-après, les pastilles de combustible selon l’invention sont simulées numériquement pour évaluer leurs performances mécaniques et thermiques, par un logiciel commercialisé sous l’appellation « FreeFem++ », version v4.7-2 : https://freefem.org/.

On a représenté enFIG. 3, un motif de base M d’un crayon de combustible nucléaire avec une gaine 2 logeant une pastille de combustible 6 selon l’invention.

Un premier exemple d’une pastille 6 selon l’invention est illustré aux figures 4 et 5.

Une pastille 6 selon l’invention d’axe central (X) comprend tout d’abord un cylindre droit 60 de matière fissile d’axe central (X) qui définit le diamètre (Ø) et la hauteur H de la pastille 6.

Selon l’invention, la pastille 6 comprend au moins une cavité 61, dénuée de matière fissile. Chaque cavité 61 est conformée et orientée de telle sorte que sa section transversale droite par un plan transversal perpendiculaire à l’axe central X présente la forme d’au moins une portion d’au moins une spirale, la(les) cavité(s) étant axisymétrique(s) par rapport à l’axe central X et non débouchante(s) sur l’extérieur de la pastille.

Dans l’exemple illustré aux figures 4 et 5, la pastille 6 comprend deux cavités 61, 61.2 sous la forme chacune d’une portion de spirale d’Archimède dont le point de création est sur l’axe central X de la pastille. Dans cet exemple, les spirales 61.1, 61.2 ne s’étendent pas jusqu’à l’axe mais s’étendent depuis un point à l’intérieur du cylindre droit 60.

La largeur d’une cavité 61 est non nulle et de préférence inférieure à 1 mm.

Chacune des cavités 61 dénuée de matière fissile peut être complètement évidée ou au moins partiellement remplie d’un insert en matériau conducteur thermique, notamment métallique ou alliage métallique, ou d’un matériau poreux. Il peut s’agir d’un insert en molybdène (Mo), niobium (Nb) ou leurs alliages, de préférence un alliage NbZr ou un alliage NbZrC.

On peut par exemple envisager de réaliser un insert au sein d’une cavité par dépôt d’une couche métallique, par exemple en Mo, par une technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD, pour Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition en anglais).

Les dimensions d’une pastille 6 selon l’invention sont de préférence comme suit :

- le diamètre D du cylindre droit 60 peut être celui des pastilles déjà utilisées en réacteurs REP, notamment égal à 8,15 mm ou autour de 11 mm pour les pastilles déjà utilisées en réacteurs REB, et jusqu’à 13,5 mm pour les réacteurs de type CANDU ;

- la hauteur H du cylindre droit 60 est au minimum de 1 mm et peut aller jusqu’à la hauteur des pastilles REPs ;

- le rayon externe d’une portion de spirale 61 doit être inférieur au rayon externe du cylindre droit 60 pour ne pas être débouchante sur l’extérieur de la pastille. La différence entre ces deux rayons doit être suffisamment grande pour que la pastille selon l’invention reste intègre dans toutes les phases de fabrication ;

- le diamètre interne de la spirale peut être nul, mais de préférence il ne doit pas être supérieur à la moitié du rayon du cylindre droit pour éviter de fracturer la partie centrale de la pastille.

Pour parvenir à définir une pastille 6 selon l’invention, les inventeurs ont réalisé des simulations sous FreeFem++, qui ont démontré la capacité de pastilles de combustible nucléaire présentant des cavités vides de matière, non débouchantes à l’extérieur, à résister à la fissuration. Ainsi, ces cavités vides permettent à l’UO₂, en tant que matière fissile d’une pastille, de se dilater librement, et peuvent ainsi éviter la fracturation de la pastille.

A partir de la connaissance de l’ouvrage [2] relatif à l’optimisation des formes, les inventeurs ont abouti à la définition de cavités à section transversale sous la forme de portions de spirale, qui ont pour avantage primordial de présenter un faible gradient des contraintes mécaniques le long de la spirale, en particulier pour une spirale d’Archimède.

Des analyses quantitatives ont alors permis d’estimer le nombre de portions de spirales, et les angles de laminage suffisants pour éviter la fissuration de l’UO₂. On précise qu’un angle de laminage est l’angle entre la direction des spirales et le vecteur radial.

Les figures 6 et 7 illustrent des exemples de modélisation de pastille avec cavités à section transversale en forme de spirale d’Archimède, respectivement au nombre de dix et de quatre, avec un paramètre α = 0,2 les modélisations ayant été faites avec des critères de contraintes maximales. Le paramètre α correspond à la distance séparant la boucle d’une spirale après une rotation, divisée par le rayon de la pastille. Ainsi, plus le paramètre α est petit, plus la spirale s’enroule rapidement.

Différents types de procédés de fabrication d’une pastille 6 selon l’invention peuvent être envisagés.

Un procédé de métallurgie par frittage de poudre peut être mis en œuvre. Ce procédé peut reprendre toutes les étapes d’un procédé industriel de fabrication de pastilles de combustible pleines à base d’UO₂déjà utilisées en réacteur REP, à l’exception de l’étape de pressage selon laquelle on met en œuvre non pas un moule de pressage sous la forme d’un cylindre creux, mais un cylindre creux contenant un ou des inserts dont la section transversale intègre des portions en forme de spirale.

Ainsi, une fois la pastille retirée du moule de frittage, des cavités vides de matière sont formées à l’endroit du ou des inserts du moule de pressage.

Des procédés de fabrication additive (impression 3D) peuvent également être mis en œuvre pour réaliser des pastilles avec des cavités à spirales 61.1 à 61.10.

Un procédé de micro-extrusion par fabrication additive (« robocasting ») d’une poudre d’UO2 dispersé dans un gel organique peut ainsi être envisagé. Les inventeurs ont ainsi réalisé des essais de fabrication selon ce procédé avec une poudre d’alumine simulant la poudre d’UO₂et ils ont montré qu’il était possible de réaliser la géométrie souhaitée avec portions de spirales.

Un exemple de pastille 6 à deux cavités 61.1, 61.2 en forme de portion de spirale, réalisée selon ces essais de fabrication est montré à laFIG. 8.

Les inventeurs ont réalisé des essais avec des pastilles 6 en alumine, réalisées par robocasting, au cours desquels elles ont été soumises à un gradient de température similaire à celui créé en réacteur REP. Ces essais ont montré le bon comportement mécanique des pastilles 6, plus particulièrement avec une aptitude à ne pas se rompre.

Plus particulièrement, ces essais ont été réalisés avec deux pastilles d’1 mm d’épaisseur environ qui ont été fabriquées selon le même procédé de fabrication, à savoir à partir d’une même poudre d’alumine initiale et d’un même liant organique et selon une même séquence de séchage/frittage.

Une de ces deux pastilles était une pastille 6 selon l’invention, i.e. avec un cylindre droit d’alumine intégrant des cavités vides en forme de spirales et l’autre de ces deux pastilles, à titre d’exemple comparatif, était constituée d’un cylindre droit plein, à l’instar des pastilles usuellement mises en œuvre dans les réacteurs REP.

Les deux pastilles ont été soumises à un même traitement thermique obtenu par un laser. Le champ de température créé par ce laser présentait un gradient de température avec une température centrale qui augmentait progressivement jusqu’à 1800°C. Ce profil de température généré par le laser est illustré à laFIG. 9.

Les inventeurs ont alors constaté que :

la pastille selon l’invention ne s’est pas rompue pour une température centrale de 1800°C ;
la pastille pleine selon l’exemple comparatif s’est rompue pour une température centrale inférieure à 1000°C.

L’état final, après cet essai de traitement thermique de la pastille selon l’invention et selon l’exemple comparatif est montré respectivement aux figures 10 et 11.

Cet essai de traitement thermique démontre qu’une pastille selon l’invention avec des cavités vides à section transversale en forme de portions de spirale peut supporter des gradients de température plus forts qu’une pastille pleine, avant d’être endommagée.

Or, la température de 1800°C est de l’ordre de grandeur de la température maximale au centre d’une pastille de combustible usuelle en réacteur REP soumis à une rampe de puissance jusqu’à 420 W/cm.

On peut donc en déduire qu’une pastille selon l’invention ne devrait pas se rompre au cours de son séjour en réacteur nucléaire, car la puissance maximale que cette pastille peut subir en conditions normales ou transitoires n’excède pas les 420 W/cm.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Comme illustré à laFIG. 12, le cylindre droit 60 de matière fissile 60 peut comprendre à l’une et/ou l’autre de ses faces d’extrémité un évidement de matière 62, de préférence axisymétrique par rapport à l’axe central. L’une et/ou l’autre de ses faces d’extrémité peut être chanfreinée par un chanfrein 63 de préférence à 45°. A titre d’exemple indicatif, en reprenant les dimensions usuelles d’une pastille REP, pour un cylindre droit 60 de diamètre ø égal à 8,19 +/-0,012mm, et de hauteur H égale à 11,50 +/- 1,15mm, l’évidement 62 peut avoir une largeur L égale à 5,0 +/- 0,3mm et le chanfrein 63 une hauteur h égale à 0,28 +/- 0,03mm.

En fonction des applications envisagées (réacteurs à eau pressurisée principalement), différents paramètres d’une pastille à cavité(s) en forme de portion(s) de spirale(s) pourront être optimisés. Parmi les paramètres à optimiser, on peut citer :

- un agencement et dimensions des spirales différents de ceux illustrés ;

- un rapport volumique cavité/céramique de combustible différent;

- le choix d’une matière fissile autre que de l’UO₂ou du MOX ;

- le choix d’un métal réfractaire d’insert au sein d’une cavité différent;

- un dimensionnement des diamètres de cylindre droit et des spirales de la pastille différent de celui des calculs ci-avant.

Liste des références citées

[1]: Kim D.J. – Rhee Y.W. & al – “Fabrication of Micro-Cell_UO2-Mo with enhanced thermal conductivity”, JNM 462 (2015) 289-295.

[2]: G.Allaire “Shape Optimization by the Homogenization Method” Appl. Mech. Rev. Mar 2003, 56(2): B26-B27.https://doi.org/10.1115/1.1553443

Claims

Pastille (6) de combustible nucléaire, comprenant :
un cylindre droit (60) de matière fissile d’axe central (X);

au moins une cavité (61 ; 61.1 à 61.10), dénuée de matière fissile, qui s’étend sur au moins une partie de la longueur de la pastille, la cavité étant conformée et orientée de telle sorte que sa section transversale droite par un plan transversal perpendiculaire à l’axe central X présente la forme d’au moins une portion d’au moins une spirale, la(les) cavité(s) étant axisymétrique(s) par rapport à l’axe central X et non débouchante(s) sur l’extérieur de la pastille.
Pastille (6) selon la revendication 1, le diamètre interne de la(des) portion(s) de spirale(s) étant compris entre 0 et la moitié du rayon du cylindre droit.
Pastille (6) de combustible nucléaire selon la revendication 1 ou 2, la largeur de la(des) portion(s) de spirale(s) étant constant ou variable sur toute sa longueur.
Pastille (6) de combustible nucléaire selon l’une des revendications précédentes, la largeur de la(des) portion(s) de spirale(s) étant inférieure ou égale à 1 mm.
Pastille (6) de combustible nucléaire selon l’une des revendications précédentes, chaque spirale étant une spirale d’Archimède.
Pastille (6) de combustible nucléaire selon l’une des revendications précédentes, comprenant plusieurs spirales dont le centre est sur l’axe central de la pastille et qui s’enroule vers l’extérieur du cylindre droit, les spirales étant réparties de manière axisymétrique par rapport à l’axe central du cylindre droit.
Pastille (6) de combustible nucléaire selon l’une des revendications précédentes, le centre du cylindre étant évidé en formant un cylindre droit intérieur (62).
Pastille (6) de combustible nucléaire selon l’une des revendications précédentes, la(les) cavité(s) étant remplie(s) au moins partiellement par un insert ou un matériau poreux, en matériau conducteur thermique.
Pastille (6) selon la revendication 8, l’insert étant métallique ou en alliage métallique ou céramique
Pastille (6) selon la revendication 9, le matériau de l’insert étant choisi parmi le molybdène (Mo), le niobium (Nb) ou leurs alliages, de préférence un alliage NbZr ou un alliage NbZrC.
Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, la matière fissile du cylindre droit étant choisie parmi l’oxyde d'uranium (IV) (UO₂), l’oxyde mixte (U, Pu)O₂ou un mélange mixte à base d'oxyde d'uranium et d'oxydes de plutonium retraités (MOx).
Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le pourcentage volumique de la(des) cavité(s) étant compris entre 1 et 10 %.
Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, au moins des faces d’extrémité du cylindre droit comprenant au moins un évidement de matière fissile et/ou un chanfrein sur sa périphérie.
Crayon de combustible nucléaire (1) s'étendant selon une direction longitudinale (XX') comprenant :
une pluralité de pastilles nucléaires (6) selon l’une des revendications précédentes, empilées les unes sur les autres ;

une gaine (2) en matériau transparent aux neutrons entourant l'empilement de pastilles.
Crayon (1) selon la revendication 14, la gaine étant en alliage de zirconium, notamment en Zircaloy-4 (Zr4), ou en alliage M5® (ZrNbO).
Assemblage de combustible nucléaire comprenant une pluralité de crayons de combustible selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15 et agencés entre eux selon un réseau.
Utilisation d’une pastille de combustible nucléaire (6) selon l’une des revendications 1 à 13 ou d’un crayon de combustible nucléaire (1) selon la revendication 14 ou 15 dans un réacteur à eau pressurisée (REP).