Brevet FR2037141A1 — publié le 19701231

La présente invention a trait au recyclage dè combustible et plus précisément à un procédé permettant de produire mécaniquement un déplacement dispectre des neutrons dans les assemblages combustibles pour améliorer le rendement économique du recyclage de combustible. Les combustibles nucléaires, à la différence des autres combustibles ne sont pas dépouillés de toute leur énergie dans les premiers temps de leur consommation et peuvent même engendrer du combustible supplémentaire au cours de cette consommation. A titre d'exemple les actuels réacteurs à eau pressurisée utilisent comme combustible de l'uranium enrichi, c'est-d-dire un combustible qui lors de son enfournement peut comprendre 3% d'U-235 et 97% d'U-238. Normalement, le combustible usé renferme environ 1% d'U-235, 95% d'U-238, 1% de Pu et 3% de-produits de fission. Ces caractéristiques des combustibles nucléaires rendent ltorganisa- tion de leur utilisation, comprenant réenfournements et recyclages, particulièrement importante. On utilise le recyclage dit a plusieurs régions pour réaliser un meilleur-rendement du combustible nucléaire, ce rendement étant chiffré sous forme d'énergie produite par unité de poids, couramment en mégawatts-jours de chaleur par tonne métrique (NW/t). Le recyclage à plusieurs régions a permis de réaliser un rendement de 50% supérieur à celui que l'on obtenait en remplaçant la totalité du combustible à chaque enfournement. Classiquement, le coeur d'un reacteur nucléaire peut titre divisé en trois régions-coaxiales. Le combustible subit une première combustion dans la région extérieure, une seconde dans la région intermédiaire et une combustion finale dans la région centrale. Le combustible est enfourné dans la région extérieure, il est retiré après qu'il a été épuisé dans la région centrale. En pratique, lesdites régions peuvent s 'interpénétrer suivant via configuration particulière des flux dans le coeur du réacteur. Le combustible nucléaire est généralement en forme de pastilles de céramique. Ces pastilles sont scellées dans une gaine métallique. Une pluralité de ces gaines scellées ou éléments combustibles sont maintenus ensemble en un réseau fixe dit assemblage combustible. L'économie de fabrication impose que les assez blages combustibles soient normalisés. L'arrangement particulier choisi comme réseau est maintenu principalement par des grilles qui présentent-tout un ensemble d'ouvertures ayant intérieurement des saIllies les unes rigides, les autres élastiques. Dans les réacteurs industriels d'aujourd'hui, le degré dtêpuisement d'un assemblage combustible en-un endroit donné d'un coeur nucléaire dépend non seulement du flux de neutrons en cet endroit mais aussi de la thermalisation des neutrons et de la teneur en combustible qui varie en fonction du temps. Le réseau doit Btre choisi de façon à maintenir convenable la rapport hydrogène/combustible (l'hydrogène étant la source principale de la therm/alisation).Comme les assemblages combustibles sont normalisés, il devient clair que le rapport hydrogène/combus- tible ne peut être optimalisé pour toute position susceptible entre occupée par un assemblage combustible dans. un système de recyclage à plusieurs régions. I1 existe d'ailleurs autres causes de non optimalisation du réseau. C'est ainsi par exemple que certains réacteurs ont été conçus pour un réseau pus serré que l'optimal, de sorte qu'il y a davantage de plutonium produit en un temps donné, quand cela s'est avéré désirable du point de vue des quantités de plutonium à produire. D'autres réacteurs sont projetés pour être mis en oeuvre avec des combustibles au plutonium alors que le réseau a été calculé à l'origine pour des combustibles à l'uranium. D'autres considérations économiques sans cesse changeantes peuvent aussi conduire à concevoir des coeurs nucléaires pourvus de réseaux serres. Un des buts de ltinvention est en consçquence de proposer aux responsables du combustible de réacteur un procédé souple permettant de faire varier le réseau des assemblages combustibles. Le manque de souplesse inhérent aux techniques connues de recyclage du combustible est,suivant l'invention, réduit en proposant aux responsables du combustible de réacteur un procédé permettant de faire varier le réseau, c'est-à-dire le rapport hydrogène/combustible, à un moment intermédiaire opoortun de la combustion de chaque assemblage eombustible. Les assemblages combustibles nucléaires ont comme on l'a déjà indiqué leur existant de combustible fix! en certains endroits tels qu'ils sont détermines par les grilles.Suivant l'invention, on retire des éléments combustibles sélectionnés d'assemblages également sélectionnés pour faire croître le rapport hydrogène/combustible et par conséquent la combustion. En gros, une fois que le rapport hydrogène/combustible a été réajusté à une valeur adéquate, l'assemblage combustible est habituellement transféré en un endroit plus intéressant. Dans certains cas cependant, l'assemblage combustible peut être replacé au même emplacement ou mne placé en un endroit choisi d'un autre réacteur. Les éléments combustibles qui ont été enlevés sont remplacés pat des gaines dépourvues de combustible, de façon à maintenir les caractéristiques hydrauliques des assemblages combustibles et conserver l'intégrité de la structure. Les éléments combustibles enlevés peuvent être utilisés pour gtre regroupés en assemblages combustibles supplémentaires. Le procédé suivant l'invention est basé sur le -principe qu'un changement du rapport hydrogene/combustible à un moment intermédiaire de la combustion d'un assemblage combustible produit un changement brusque due la réactivité de cet assemblage combustible -. Le procédé doit s'entendre comme applicable en particulier à des réacteurs modérés par liteau, où un changement du rapport hydrogene/combustible entrasse un changement de la thermalisation des neutrons "vus" par cet assemblage combustible. L'invention implique en effet un décalage mécanique de spectre qui améliore le rapport initial de conversion et donne un changement-brusque de réactivité une fois que -la modification du réseau a été faite. Les réacteurs nucléaires industriels d'aujourd'hui ren ferment leur existant nucléaire sous la forme d'une pluralité d'assejmblages combustibles, fixés en position debout dans la région du coeur.Les assemblages combustibles sont faits chacun d'une pluralité d1élé---:-ients combustibles, cux-memes constitués chacun par des pastilles de combustible nucléaire en céramique empilées dans une gamine métallique. Ges éléments combustibles sont tenus dans un réseau au moyen principalement d'une pluralité de grilles en forme de casiers à oeufs", écartées l'une de l'au- treO Ces grilles comportent essentiellement un ensemble d'ouvertures échelonnées et pourvues chacune d'un jeu de saillies les unes rigides, les autresastiques. Les éléments combustibles sont individuellement insérés dans les ouvertures en ligne d'une pluralité de grilles où ils sont pratiquement tenus rigidement par lesdites saillies rigides et élastiques. Les grilles ellesmimes ont. leurs positions fixées au moyen d'un bti porteur qui peut être constitué par des barres d'attache en cornières ou en tubes qui s'avancent dans des ouvertures en ligne et sont soudées aux grilles. Pour-une description plus détaillée d'un tel assem- blage combustible qui a été conçu en fonction des déplacements à prévoir des éléments combustibles, on pourra se reporter au brevet L-.U.. N 3.377.259 déposé le 9 avril 1968 au nom de la présente demandéresse. Xgros, X s assemblages combustibles suivant l'inven- tion comportent une plaque fixée auprès de l'une des extrémités du bâti porteur et qui a pour la circulation du réfrigérant des canaux relativement larges en ligne avec e ertains des canaux offerts par les éléments combustibles, et une autre plaque fixée auprès de l'autre extrémité du bâti porteur et qui a des canaux de réfrigérant en ligne avec les canaux restants offerts par les éléments combustibles. Il en résulte que les différents éléments combustibles peuvent entre insérés dans les grilles et en être retirés, par les canaux desdites plaoues, en utilisant des moyens de manutention à distance de structure préhensive appropriée. Un sous-ensemble à plaque de retenue et attache de manutention est positionné à 1'extérieur de chacune des plaques précédentes une fois que les éléments combustibles ont été insérés à travers elles, et des moyens de fixation sont utilisés pour attacher la plaque de retenue et le sous-ensemble correspondant au bEti porteur, de manière à réaliser un assemblage solide tout en permettant de retirer facilement cen derniers éléments, en utilisant des moyens de manutention à distance de structure préhensile appropriée. Tout réacteur particulIer est conçu pour fonctionner avec une pluralité de tels assemblages combustibles aui sont de dimensions identiques. Les dimensions hors-tout et le-s caractéristiques hydrauliques doivent eAtre choisies en fonction du sys tème générateur de vapeur tout entier et ne peuvent en général Qre modifiées. Conne on l'a déjà indiqué les- réacteurs industriels d'aujourd'hui utilisent un syst!"me de recyclage à plusieurs régions pour accroître le rendement des éléments combustibles, et à un accroissement de souplesse d'un tel système que se consacre procédé de la présente invention. Durant les opérations classiques de recyclage des assemblages combustibles sont retirés du réacteur et replacés dans d'autres régions du coeur. Mais comme on l'a déjà indique, la distribution spatiale particulière du combustible ou réseau a de très fortes chances de ne pas entre optimalisée pour toute position susceptible d'être prise par un assemblage combustible à la suite d'un recyclage à plusieurs régions. C'est pour cette raison qu'il est proposé suivant l'invention de-retirer des éléments combustibles- sélectionnés d'assemblages combustibles également sélectionnée avant de replacer ceux-ci dans le coeur. Les éléments combustibles retirés sont remplacés -par des gaines dépourvues de combustible, de façon à maintenir les caractéristiques hydrauliques que donnaient les éléments combustibles remplacés ainsi que l'intégrité de la structure.Les "éléments" dépourvus.de combustible peuvent être constitués par des éléments analogues-aux précédents mais vides et dont le gainage est percé de puits trous de façon qu'ils puissent se remplir d'eau et par conséquent contribuer à favoriser le rapport hydrogène/combustible.On voit ainsi que bien que les dimensions hors tout et les caractéristiques hydrauliques demeurent constantes, le rapport hydrogène/combustible est modifié de façon à mieux convenir aux caractéristiques nucléaires de endroit où l'assemblage combustible e-st à re-placer. Comme on le montrera plus loin ce procédé donne aux responsables du combustible une souplesse suffisamment accrue dans les recyclages pour augmenter notablement le r endement ou puissance calor.f que massique (par exemple en MWD/t) du combustible nuclêaire. Une série d'exemples de recyclage suivant l'invention permettra de mettre en lumière la- souplesse supplémentaire inhérente au procédé suivant l'inv'ention, ainsi que la meilleure utilisation de la charge en combustible nucléaire qu'il permet de réaliser. (a) Combustible brûlé dans des régions séparées à réseaux serrés et liches au sein du seul et meme-réacteur. Aw; fins de recyclages à plusieurs régions, le coeur du réacteur est divisé en trois régions coaxiales. Le schéma à suivre pour les/enfournements est de brûler le combustible d'abord dans lar égion intermédiaire, puis dans la région centrale et finalement dans la région extérieure. Dans ce système les deux régions intérieures utilisent un réseau serré ou normal, c'està-dire un réseau dans lequel les éléments combustibles sont séparés par une distance (complétée dans le plan des axes) d'environ 12,7 mm^et la région antérieure utilise un réseau lâche, ctesta-dire un réseau obtenu en enlevant des é-léments combustibles sélectionnés dans les assemblages combustibles-, de façon que dans ce réseau on ait maintenant 17,8 mm entre éléments combustibles. Gette façon de faire est à opposer au schéma classique de recy pelage qui comporte une premiere combustion dans la région extérieure, une seconde combustion dans la région intermédiaire et une combustion finale dans la région intérieure, en utilisant le même réseau dans les trois régions. Des-calculs d'épuisement dans un espace à une seule dimension montrent que le rendement peut entre doublé quand on compare le procédé- suivant l'invention aux procédés classiques de recyclage. Il convient de noter qu'en pratique il n'est pas nécessaire de maintenir une ligne de démarcation nette entre les régions, ce qui veut dire qu'une des régions coaxiales peut renfermer une combinaison de combustible déjà brûle une fois et deux fois ou de combustible frais de combustible déjà brûlé une fois ou toute autre combinaison que des calculs de flux peuvent indiquer comme convenable dans un sèhéma particulier de recyclage. (b) Combustibles de différents types brillés dans des régions à réseaux serres et lâches d'un seul et même réacteur. L'emploi comme combustibles de rJlutonlum et d'uranium au sein d'un même réacteur pose des problèmes de pointe de puissance aux frontières entre les deux coebustibîes en raison des différences fondamentales entre leurs sections efficaces de capture des neutrens. En outre les caractéristiques de réactivité des deux combustibles diffèrent en ce qui concerne les rapports optimaux hydrogène/combustible. Il est possible de satisfaire aux exigences relatives aux pointes de puissance en utilisant le procédé suivant l'invention de passage d'un réseau serré à un réseau lâche.Pour le début de la combustion du combustible, les enrichissements de l'uranium et ou plutonium sont réglés par la condition que les pointes de puissance à l'inter- face entre combustibles soit négligeable. Au fur et à mesure que le combustible est ensuite déplace d'une région à l'autre, des éléments combustibles sont retirés des assemblages combustibles avant que ceux-ci -soient--replacés dans le réacteur, de façon à ajuster leurs rapports hydrogène/combustible et maintenir négligeable comme voulu les interfaces à pointes de puissance. Les déplacements d'assemblages combustibles peuvent entre les mêmes qu'à l'exemple précédent, des éléments combustibles sélectionnés étant retirés, de manière à satisfaire ?ux exigences d'interfaces à pointes de puissance et à obtenir un rendement plus élevé. (c) Combustibles brûlés dans des régions à réseaux serrés et lâches au sein d'au moins deux réacteurs. Suivant l'invention le combustible peut être recyclé à plusieurs régions de façon classique dans un premier réacteur. Au moment où le combustible est retiré du premierkéacteur, des éléments combustibles sont retirés des différents assemblages combustibles, de façon à former des éléments combustibles en réseau lâche. Ces éléments combustibles sont ensuite utilisés dans un second réacteur. Cet exemple se prête particulièrement bien aux prévisions. Si l'on suppose un enrichissement du combustible de charge de 4,9 % en poids d'uranium 235 dans le premier réacteur et un schéma à deux recyclages, c'est-à-dire une première combustion dans une région centrale et une seconde combus- tion dans une région extérieure, le rendement dans le premier réacteur sera de 19.500 Wj/t.Une fois le réseau modifié, le combustible peut êtse réinséré ou recyclé dans un second réacteur moyennant quoi la somme desrendements peut être étendur jusqu'à environ 37 000 MWj/t. La raison de ce gair record tient à ce que le combustible comserve un notentiel not a ble de combustibilité quand il est retiré du premier réacteur. Mais ce potentiel ne peut être pleinement exploité au moyen de combustible épuisé venant du premier réacteur que par un acoroissement du rapport hydrogène/ combustible, de façon que le combustible "voit" dans le second réacteur un nombre de neutrons thermalisés supéreiru à la moyenne. (d) Conversion d'un réacteur nucléaire de lturanium au plutondun. Comme on l'a déjè indiqué, bien des réacteurs conçus pour utiliser de l'uranium comme matériau fissile peuvent entre convertis au plusonium. Ceci peut arriver du fait d'un excès d existant en plutonium qui se trouve à un moment donné accumulé par la conversion sous le bombardement neutronique de l'â 239 en Pu 239. une solution approximative consiste à replacer simplement par des élements combustibles au plutonium les éléments porteurs d'uranium dans le réseau pour l'uranium. La difficulté qui interdit cette solution approximative directe tient à ce que le plutonium exige pour son utilisation économique un rapport hydrogène/ combustible plus élevé que celui n6cessaire à l'uranium.D'un autre cet le réseau ne peut être facilement converti en raison des dImensions fixes de la région de coeur et des dépenses qu'en- traîne la conception, les essais et la fabrication de nouvelles grilles ainsi que le montage des assemblages combustibles. Le procédé suivant l'invention qui peut être utilisé est d'insérer des éléments combustibles porteurs de plutonium (soit directement après leur retrait d'un réacteur en fonctionnement, soit après retraitement) dans le réseau j uranium, nais après que des élénents combustibles sélectiannés ont été remplacés par des éléments dépourvus de combustible, à la manière exposée ci-dessus. Il en résulte que le réseau peut être converti en réseau à plutonium en utilisant les grilles conçues pour le réseau à uranium. En utilisart le procédé suivant l'invention de conversion de réseau serré en réseau lâche, il devient clair qu'il est pos sibl qren resserrant le réseau des régions à réseau serré on puisse opérer initialement un enfournement de combustible dans le réacteur plus important, en sorte que la "durée de vie" de la charge de combustible puisse être allongée. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation directs qui n'ont été donnés qu'a titre d'esem- pies. REVENDICATIONS i. Procédé de recyclage d'assemblages combustibles nucléaires destiné à accroître le rendement de combustion, carac tarisc par le fait quTil consiste a retirer du coeur d'un réacteur nucléaire une partie au. moins des assemblages, puis e retiré rer d'assemblages sélectionnés de ladite partie au moins certains éléments corroustibles de façon r former des assemblages gardant les mêmes dimensions hors tout mais ayant un rapport hydrogène/ combustible différent, et à replacer dans un coeur de réacteur au moins certains desCits assemblages sélectionnés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments combustibles retirés sont remplacés par des éléments géométriquement identiques aux précédents mais dépourvus de combustible, de façon à conserver les caractéristiques hydrauliques desdits assemblages sélectionnés. 30 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les éléments autres que lesdits éléments retirés sont remplacés par des éléments combustibles dont la majeure partie du contenu fissile par élément est différente de ce qu'elle était dans l1assemblage précédemment au complet. 4. Procédé selon la revendication a ou la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits certains assemblages sélectionnés sont replacés individuellement dans le mme coeur de réacteur, en des emplacements différents de ceux d'ot ils ont été retirés. 5. Procédé selon la revendication z ou la revendication 3, ceractérisé par le fait que lesdits certains aesemblages sélectionnés, sont replacés individuellement dans le coeur d'un autre réacteur. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits certains assemblages sélectionnés sont replacés dans le même coeur de réacteur, dans une région extérieure de ce coeur.