Brevet FR2130225A1 — publié le 19721103

i 2130225 La présente invention concerne un ensemble combustible appelé "module de combustible" pour le coeur d'un réacteur nucléaire, et plus particulièrement un module de combustible pour un réacteur surgénérateur à neutrons thermiques du type à matière active et matière fertile. 5 Les expressions suivantes sont utilisées dans la description de 1'invention. Matière fissile. Cette expression est utilisée pour désigner une matière fissile du fait de la capture d'un neutron. Matière fertile. Cette expression est utilisée pour désigner une 10 matière convertie en matière fertile du fait de la capture d'un neutron. Combustible. Ce terme est utilisé pour désigner soit une matière fissile, soit une matière fertile, soit une combinaison des deux dans le coeur d'un réacteur. ' Région active. Cette expression est utilisée pour désigner une 15 région de combustible dans laquelle la principale activité est la fission de la matière fissile. Région fertile. Cette expression est utilisée pour désigner une région de combustible dans laquelle la principale activité est la transformation de matière fertile en matière fissile. 20 Un réacteur surgénérateur augmente l'inventaire des matières fissiles pendant la durée de vie du coeur en produisant en même temps de l'énergie. Pendant la fission, des neutrons et de l'énergie sont émis. L'inventaire de matière fissile d'un réacteur surgénérateur augmente quand de la matière fertile telle que du thorium-232 absorbe des neutrons émis du fait de la fission. 25 Quand un atome de thorium-232 capture un neutron, il est converti en thorium-233 qui se désintègre par radioactivité en protactinium-233. Le protactinium-233 se désintègre en uranium-234 qui est une matière fissile. Les neutrons devant être absorbés par la matière fertile proviennent principalement de la fission du combustible fissile. Une source mineure de neutrons est la fission rapide 30 d'une matière non fissile telle que le thorium-232 et le protactinium-233. Parmi les neutrons produits pour chaque atome de matière fissile décrite, un neutron doit être ensuite absorbé par la matière fissile pour 1'entretien de la réaction en chaîne et pour le maintien du réacteur à l'état critique. En même temps, la matière fertile doit absorber au moins un neutron supplémentaire 35 pour remplacer l'atome fissile détruit si la surgénération doit avoir lieu. Il est par suite nécessaire que le rapport entre la production de neutrons par absorption d'un neutron dans la matière fertile soit supérieur à 2,0 pour que la surgénération ait lieu et pour tenir compte de la perte de neutrons 72 08876 2 2130225 par capture par le modérateur, les éléments de structure, les produits de fission et les impuretés présentes dans le combustible. L'uranium-233 réfrigéré et modéré par de l'eau légère est une matière dans laquelle le rapport de la production de neutrons par absorption de neutrons thermiques est supérieur 5 à 2,0. Initialement, la région active d'un réacteur surgénérateur à neutrons thermiques du type à matière active et à matière fertile contient des quantités suffisantes de matière fissile pour assurer que l'activité primaire dans la région active soit une activité de fission de la matière fissile. D'autre 10 part, la région fertile contient des quantités suffisantes de matière fertile pour assurer que la principale activité dans cette région soit la transformation de matière fertile en matière fissile. Les réacteurs surgénérateurs du type à matière active et à matière fertile des types antérieurs permettent une surgénération auto-entretenue avec une région active contenant de l'uranium-233 15 et une région fertile contenant du thorium-232. Les groupes d'éléments combustibles à thorium-232 et uranium-233 de ces réacteurs sont contenus dans des ensembles combustibles "modulaires" à matière active et matière fertile. Plusieurs de ces ensembles ou modules assemblés en un groupe forment le coeur du réacteur. Souvent, plusieurs ensembles modulaires formant le coeur sont 20 entourés par une région de réflecteur en oxyde de thorium naturel. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 351 532 est un exemple de cette combinaison. Un ensemble modulaire de combustible suivant la technique antérieure pour un réacteur surgénérateur' à eau légère du type à matière active et matière fertile est un ensemble modulaire à commande étagée de la région fertile au 25 thorium. Cet ensemble comporte deux régions actives et une ou plusieurs régions fertiles. Les barreaux ou éléments de la région fertile sont habituellement complètement chargés de thorium et sont disposés suivant un réseau avec espacement étroit. Cette disposition des éléments combustibles fertiles empêche l'écoulement de l'eau légère formant le réfrigérant, en établissant 30 ainsi une région fertile relativement sèche. L'espacement étroit des barreaux fertiles est nécessaire dans le module du type à commande étagée de la région fertile au thorium pour minimiser les pertes parasites de neutrons vers l'eau de la région fertile et pour obtenir ainsi le maximum de captures de neutrons par le combustible fertile.-Cependant, des problèmes difficiles de 35 ' réalisation sont rencontrés pour supporter les barreaux fertiles étroitement assemblés. ' Les régions actives sont habituellement formées des.groupes de barreaux combustibles non serrés dans lesquels la concentration en eau est 72 08876 3 2130225 supérieure, ce qui est nécessaire pour assurer une modération suffisante des neutrons pour obtenir une réactivité élevée. Chaque module de combustile de ce type antérieur comporte un ensemble mobile et un ensemble stationnaire pour permettre la commande du réacteur. L'ensemble mobile est constitué par 5 une région fertile centrale en thorium entourée par une région active annulaire. L'ensemble stationnaire est constitué par trois ensembles en chevron équidistants autour de l'ensemble mobile. Chaque ensemble stationnaire en chevron contient une région active stationnaire située à côté de la région active mobile et une région fertile. Fréquemment, une autre région active 10 stationnaire est utilisée sur le pourtour extérieur de chaque ensemble stationnaire. Des canaux structuraux sont nécessaires dans chacun des ensembles stationnaires pour séparer des régions actives des régions fertiles. Un canal structural est par suite nécessaire pour chaque région active de chaque ensemble stationnaire. Les formes de la région active mobile et de sa contrepartie 15 active stationnaire sont telles que les quelques permières rangées de barreaux des deux régions actives soient chargées de thorium-232 sur des parties différentes de leur longueur. Il en résulte une disposition étagée des régions fertiles d'une rangée de barreaux à la rangée voisine de barreaux. Du fait du positionnement des régions fertiles étagées entre les régions actives, comme 20 le combustible mobile est élevé pendant la durée de vie du coeur, différentes épaisseurs de thorium sont placées entre la région active pour commander l'excédent de réactivité. Cet arrangement du combustible pour la commande de la réactivité, qui est appelé le coin de poison en thorium étagé, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 335 060. Pour éviter des pertes 25 excessives de neutrons vers l'eau constituant le réfrigérant, entre la région fertile supérieure et la région fertile inférieure de la région active, les barreaux combustibles étagés doivent avoir deux diamètres. La partie de plus grand diamètre des barreaux contient la région fertile en thorium et la partie de plus petit diamètre contient la région active. Cependant, des problèmes 30 difficiles de réalisation existent pour fabriquer et pour supporter des barreaux actifs à deux diamètres. Comme il a été indiqué ci-dessus, des problèmes existent aussi pour supporter les barreaux fertiles étroitement assemblés d'un module de combustible du type antérieur. La présente invention a pour objet un nouveau module de combustible 35 perfectionné pour un coeur de réacteur à matière active et matière fertile. L'invention a aussi pour objet l'utilisation d'une commande de la réactivité du combustible mobile sans une région active stationnaire. 72 08876 4 2130 2 2 S L'invention a aussi pour objet l'utilisation d'une forme de combustible en coin de poison de thorium pour obtenir la surgénération auto-entre-tenue sans utiliser de barreaux combustibles à deux diamètres. L'invention a aussi pour objet d'utiliser une forme de combustible 5 en coin de poison de thorium avec des barreaux combustibles assemblés sans serrage dans la région fertile. L'invention concerne ainsi un module de combustible pour un coeur de réacteur surgénérateur à eau légère à matière active et matière fertile comprenant une région active unique disposée dans un ensemble mobile long, 10 cette région active comportant plusieurs barreaux actifs contenant principalement de la matière fissile, et une région fertile disposée dans un ensemble stationnaire entourant l'ensemble mobile, cette région fertile comprenant un certain nombre de barreaux fertiles chargés de matière fertile et contenant de petites quantités de matière fissile. 15 Le module de combustible selon l'invention comporte seulement une région active et une région fertile contenant de l'uranium. Comme dans les modules antérieurs, le module de combustible selon l'invention comporte un ensemble mobile et un ensemble stationnaire. L'ensemble mobile est formé de barreaux d'un seul diamètre faible chargés d'uranium-233. L'ensemble statiqn-20 naire est formé de barreaux d'un même diamètre plus important chargés de thorium-232 et contenant des petites quantités d'uranium-233. Plusieurs modules de combustible selon l'invention sont assemblés pour former le coeur complet d'un réacteur surgénérateur à matière active et matière fertile réfrigéré et modéré par de l'eau légère. La commande de la réactivité est 25 obtenue dans le réacteur en déplaçant la région active de chaque module pour la faire entrer ou sortir du coeur du réacteur. Un module de combustible selon l'invention améliore la capacité de surgénération du réacteur et permet l'utilisation de caractéristiques de réalisation inacceptables jusqu'ici en raison de leur effet nuisible sur la capa-30 cité de surgénération. Cette plus grande souplesse de surgénération résultant du module de combustible à région active unique est avantageuse pour obtenir les caractéristiques optimales de fonctionnement des coeurs de réacteurs surgénérateurs réfrigérés par de l'eau légère. Une durée de vie supérieure du coeur» une production supérieure d'énergie et une valeur supérieure du combustible 35 peuvent être obtenues par rapport à celles des modules de combustible antérieurs. Les caractéristiques de l'invention rassortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels ; 72 08876 5 2130225 la figure 1 est une coupe horizontale schématique d'un module de combustible à une seule région active, la figure 2 est une coupe verticale schématique d'un module de combustible à une seule région active et de la région fertile adjacente montrant 5 les régions fertiles et actives, et la figure 3 est un graphique montrant les performances d'un coeur à modules selon l'invention indiquant la variation de la commande pendant la durée de vie du coeur. Les figures 1 et 2 représentent un module de combustible selon un mode 10 de mise en oeuvre préféré de l'invention, en coupe horizontale et en coupe verticale schématique, le module comportant une région active unique. Le module de combustible 20 comporte un ensemble mobile central 22 de forme hexagonale entouré par un ensemble stationnaire 24. L'ensemble mobile central 22, qui comporte un élément support 32, est positionné à 1'intérieur, d'un écran 26, 15 et il est adapté pour être déplacé verticalement dans celui-ci par un dispositif non représenté. L'ensemble 22 et l'écran 26 définissent des canaux pour la circulation du réfrigérant. L'ensemble mobile 22 est formé d'un grand nombre de barreaux combustibles de diamètre uniforme 36 s'étendant axialement sur toute la longueur de la région active du coeur. La matière des tubes formant 20 les gaines des barreaux combustibles 36 a de préférence de bonne caractéristiques mécaniques aux températures élevées et une faible section efficace de capture des neutrons thermiques. Un exemple d'une telle, matière est un alliage à base de zirconium. Ainsi que le montre la figure 2, la région active 34 est complètement 25 disposée dans l'ensemble mobile 22 et elle est positionnée entre les extrémités des barreaux combustibles 36. Le combustible de la région active est un mélange d'uranium-233 et de thorium 232, les deux sous la forme d'oxydes, 233 le OÛ2 formant 5 à 15 et de préférence approximativement 7,4 % en poids du mélange. La région active 34 doit avoir un rapport atomique entre l'hydro-30 gène et l'uranium-233 de 30 à 60. L'étagement du coin de poison de thorium est utilisé dans la région active. 34 par décroissance de la façon représentée. Les barreaux combustibles 36 forment aussi une région, fertile supérieure 38 et une région fertile inférieure 40 de l'ensemble mobile 22f- ces régions s'étendan-t respectivement au-dessus et en dessous de la région active 34 35 jusqu'aux extrémités des barreaux combustibles 36. Ces régions fertiles contiennent un combustible fertile formé de thorium-232 sous la forme d'oxyde et elles doivent avoir un rapport atomique entre 1'hydrogène .et le thorium de 0,9 à 3,0. La région fertile 38 est étagée de façon complémentaire à la partie étagée de la région active 34. 72 08876 6 2130225 Chacun des barreaux combustibles 36 formant la région active 34, la région fertile supérieure 38 et la région fertile inférieure 40 peut contenir un certain nombre de pastilles de combustible actif et de pastilles de combustible fertile empilées pour obtenir l'étagement représenté sur la figure 2 5 quand les barreaux combustibles 36 sont assemblés. Les barreaux combustibles 36 sont assemblés en un groupe non serré pour réduire la résistance hydraulique à la circulation du réfrigérant. Les barreaux combustibles 36 sont positionnés de façon fixe et leurs axes sont espacés les uns des autres par des dispositifs convenables connus tels que des grilles d'espacement. Chaque barreau combus-10 tible 36 a un diamètre uniqi'e, ce qui élimine les problèmes de fabrication existant dans le cas des barieaux combustibles à deux diamètres des modules combustibles antérieurs. Quand plusieurs modules de combustible sont assemblés pour former un coeur complet, l'ensemble des régions actives peut occuper environ 20 à 40 % du volume du coeur. 15 L'ensemble stationnaire 24 comporte un élément support extérieur 50 occupant toute la longueur du coeur dans la direction axiale. Des barreaux combustibles 48 sont positionnés dans l'ensemble stationnaire 24 et ils forment une région fertile 42 contenant de l'uranium, une région fertile supérieure 44 et une région fertile inférieure 46. De même que les barreaux combustibles 36 20 de l'ensemble mobile 22, les barreaux combustibles 48 comportent de préférence des gaines en alliage à base de zirconium. La région fertile 42 contenant de l'uranium est chargée d'un mélange d'uranium-233 et de thorium-232, les deux 233 sous la forme d'oxydes, le formant 0,8 à 3,0, de préférence 1,7 % en poids du mélange, avec un rapport entre l'hydrogène et l'uranium-233 de 40 25 à 120. Il sera remarqué que l'addition de petites quantités de matière fissile, 233 par exemple 1,7 "L en poids de au combustible fertile de la région fertile 42 ne change pas les caractéristiques initiales de la région fertile, c'est-à-dire que l'activité principale reste la transformation de matière fertile en matière fissile. 30 Le combustible fertile de la région supérieure et de la région infé rieure fertile 44 et 46 est formé de thorium-232 à l'état d'oxyde et doit avoir un rapport atomique de l'hydrogène au thorium-232 de 0,9 à 3,0. La région fertile 42 contenant de l'uranium est étagée et la région fertile inférieure 46 est étagée de façon complémentaire à la partie étagée de la région 42. Les 35 barreaux combustibles 48 de l'ensemble stationnaire 24 peuvent contenir chacun un certain nombre de pastilles de combustible actif et de pastilles de combustible, fertile empilées pour obtenir l'étagement représenté sur la figure 2. Les barreaux combustibles 48 de l'ensemble stationnaire sont assemblés en un groupe 72 08876 *7 i 2130225 non serré pour former une région fertile 42 contenant de l'uranium humide, et une région supérieure et une région inférieure fertiles 44 et 4& humides. Comme dans l'ensemble mobile 22. les barreaux combustibles 48 sont positionnés de façon fixe et leurs axes sont espacés les uns des autres par des 5 dispositifs convenables connus. Du fait du groupe non serré de barreaux combustibles 48, les problèmes de structure existant pour supporter un groupe de barreaux combustibles étroitement espacés est supprimé pour l'ensemble stationnaire. Chaque barreau combustible 48 a un seul diamètre. Les dimensions d'un module suivant le mode de mise en oeuvre pré-10 féré décrit ci-dessus sont données à titre d'exemple ci-après. TABLEAU mm Hauteur totale 2.592 Distance entre plats de l'hexagone 432 15 Diamètre des barreaux actifs 85,25 Espacement des barreaux actifs 23,13 Diamètre des barreaux fertiles 190,3 Espacement des barreaux fertiles 18,75 Dimension a 228,0 20 Dimension b 355,6 Dimension c 95,5 Dimension d 102,5 Dimension e 110,0 Dimension f 117,5 25 Dimension g 124,1 Dimension h 135,5 Dimension i 154,5 Dimension j 167,5 Dimension k 183,0 30 Dimension 1 198,0 Dimension m 216r0 Comme il a été indiqué ci-dessus, les régions actives stationnaires sont nécessaires dans les modules des types antérieurs pour obtenir une valeur convenable du combustible dans la région active mobile. Dans le module de 35 combustible à une seule région active, le rendement du combustible de la région active stationnaire est obtenu par la distribution du combustible dans la région fertile 42 contenant de l'uranium. Cela permet de supprimer la région active stationnaire et le canal structural associé. La suppression du eanal structural 72 08876 8 2130225 permet de placer du combustible fertile supplémentaire dans chacun des ensembles stationnaires 24 en augmentant ainsi la capacité de surgénération des modules de combustible 20. La capacité supérieure de surgénération du module de com- j bustible permet l'utilisation de caractéristiques de réalisation inacceptables 5 jusqu'ici en raison de leur effet nuisible sur les performances pour la surgénération. La souplesse de réalisation est par suite augmentée. A titre d'exemple, la commande de la réactivité avec la réalisation à coins étagés de poison en thorium du combustible mobile et du combustible stationnaire est possible sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des barreaux actifs à deux diamètres. 10 Comme il a été indiqué ci-dessus, des barreaùx à deux diamètres étaient nécessaires dans les modules de combustible antérieur pour réduire la perte de neutrons de la région active vers l'eau présente dans la région fertile. Avec la présente invention, cette commande de la réactivité peut être obtenue en utilisant des barreaux actifs d'un diamètre uniforme. De plus, les problèmes 15 de structure en ce qui concerne les supports pour le maintien des barreaux fertiles étroitement assemblés sont supprimés en raison des performances supérieures de surgénération du module de combustible décrit qui permet de tolérer des pertes de neutrons vers l'eau de la région fertile résultant d'un groupe de barreaux fertiles assemblés non serrés. 20 Le graphique de la figure 3 indique la position pour laquelle l'ensemble combustible mobile 22 établit l'état critique pendant la durée de vie du coeur, et indique l'importance suivant laquelle l'ensemble 22 doit être sorti du coeur pendant la durée de vie du coeur pour le maintien de l'état critique. La figure 3 indique un déplacement de commande relativement 25 faible pour toute la durée de vie du coeur, c'est-à-dire que la position critique du combustible ne change pas considérablement pendant cette période. La figure 3 indique de plus une durée de vie du coeur supérieure à l'équivalent de 21.000 heures à pleine puissance. Une grande partie de l'augmentation de la durée de vie de l'amélioration de la commande par rapport aux coeurs des 30 réacteurs formés de modules de combustible de types antérieurs, peut être attribuée à la combinaison de la valeur supérieure du combustible et de la réactivité initiale en excédent résultant de la forme étagée particulière du module de combustible à une seule région active. Le rendement relativement supérieur du combustible du coeur à modules à région active unique est important 35 sous des aspects autres que le fonctionnement à la puissance nominale. Quand le déplacement du combustible de commande est nécessaire, la position désirée pour le combustible peut être plus rapidement atteinte dans un module à région , active unique. Cette caractéristique est particulièrement importante pour l'arrêt du réacteur. " ** 40 Bieït entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. t Il 08876 9 2130225 REVENDICATIONS 1. Ensemble modulaire appelé module de combustible pour le coeur d'un réacteur nucléaire surgénérateur réfrigéré par de l'eau légère , à matière active et matière fertile comprenant un ensemble stationnaire et un ensemble mobile verticalement de barreaux de combustible longs et espacés, l'en- 5 semble stationnaire étant disposé autour de l'ensemble mobile, caractérisé en ce que l'ensemble mobile verticalement comprend un certain nombre de barreaux actifs espacés les uns des autres chargés principalement de matière fissile et formant une région active unique et au moins une région fertile, et l'ensemble stationnaire comprend un certain nombre de barreaux fertiles définissant une •10 régic-n chargée principalement de matière fertile et d'une petite quantité de matière fissile, et au moins une région chargée essentiellement de matière fertile. 2. Module de combustible selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière fertile des barreaux fertiles est du thorium-232 et la distance 15 entre ces barreaux est suffisante pour établir un rapport atomique entre l'hydrogène et le thorium-232 compris entre 0,9 et 3,0. 3. Module de combustible selon la revendication 2 caractérisé en ce que la région définie par les barreaux fertiles contenant une petite quantité de 233 matière fissile contient 0,8 à 3,0 °L en poids de 20 4. Module de combustible selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière fissile de la région active est de l'uranium-233 et l'espacement entre les barreaux actifs est suffisant pour établir un rapport atomique entre l'hydrogène et l'uranium-233 de 30 à 60 dans cette région active. 5. Module de combustible selon la revendication 4 caractérisé en ce 25 que les parties des barreaux actifs formant la région active contiennent 5 à 15% 233 en poids de • 6. Module de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les barreaux actifs et les barreaux fertiles ont un diamètre uniforme et sont assemblés en groupes de barreaux non serrés. 30 7. Module de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la région active unique a une dimension décroissant par paliers. 8. Module de combustible selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'une région fertile de ^ensemble mobile verticalement a une dimension 35 décroissant par paliers de façon complémentaire à la forme de la région active unique. 9, Module de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 car&rtêrien ce que la région contenant une petite quantité de matière 72 08876 10 2130225 fissile définie par les barreaux fertiles, a une dimension décroissant par paliers et la région chargée essentiellement de matière fertile a une forme complémentaire de celle de cette région. 10. Module de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la région active occupe 20 à 40 °L du volume du module de combustible.