Brevet FR2526989A1 — publié le 19831118

Barreau combustible à haute utilisation d'uranium pour des réacteurs nucléaires à eau légère. La présente invention se rapporte aux barreaux combustibles pour des éléments combustib Les utilisés dans des réacteurs nucléaires à eau légère. Des éléments pour des réacteurs nucléaires à eau légère comprennent un réseau de barreaux cylindriques ap- pelés des barreaux combustibles Chaque barreau combusti- ble contient une pile de pastilles faites d'une matière fissile comme de l'uranium, spécialement de l'uranium 235. La réaction qui produit de l'énergie dans un réac- teur nucléaire est la fission des atomes d'uranium provo- quiée par des neutrons Le taux de réaction de fission a une distribution spatiale qui est modifiée par la distri- bution du flux des neutrons Etant donné que la distribu- tion des neutrons produisant une fission est à peu près cosinuso Idale suivant l'axe des barreaux combustibles, la distribution d'appauvrissement du combustible fissible, ou tauk de combustion, suivant la longueur d'un barreau combustible n'est pas uniforme, le taux de combustion étant inférieur aux extrémités du barreaux qu'er son cen- tre C'est là une mauvaisse utilisation de l'uranium 235 aux extrémités du barreau combustible. 2 2526989 Une amélioration bien connue consiste à ajouter des pastilles contenant de l'uranium enrichi naturellement ( 0,711 pour cent en poids de U-235 dans U-238) ou de l'uranium appauvri (contenant moins de 0,711 pour cent en poids de U/235) aux extrémités du barreau Ces pastilles sont appelées des pastilles de nanteau axial et elles ont pour fonction de produire du plutonium par l'absorption de neutrons par l'uranium 238 Etant donné que le plutonium est fissible, les pastilles de nmanteau améliorent quelque peu la distribution du taux de combustion. L'objet essentiel de l'invention est donc de pro- poser un barreau combustible qui améliore la distribution axiale du taux de combustion. Conpte tenu de cet objet, l'invention concerne un barreau combustible perfectionné pour un élément com- bustible destiné à un réacteur nucléaire, ce barreau com- bustible comprenant une pile axiale de pastilles, cette pile de pastille comprenant une région centrale avec des pastilles de combustible d'un premier enri Dhú:ss ament en combustible fissible, caractérisé en ce que, au voisinage de cette région centrale sont prévues des régions de pas- tilles de faible densité ayant une densité totale en com- bustible, exprimée en unités de masse de combustible par unité de longueur axiale, inférieure à la densité des pas- tilles combustibles dans la ré,ion centrale et qu'au moins à une extrémité axiale du barreau est prévue une région de pastilles de manteau d'un second enrichissement inférieur au premier enrichissement et contenant des substances fer- tiles. Avec cette disposition, une haute utilisation d'uranium est obtenue car la plus faible densité du com- bustible d'extrémité du barreau distribue de façon favora- ble le flux des neutrons et le taux de combustion du com- bustible. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparattront au cours de La description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: La Figure I est une courbe de distribution axiale de taux de combustion, antérieure et selon l'in- vention, la Figure 2 représente schématiquement un barreau combustible, et la Figure 3 représente schématique lent une pas- tille de combustible de faible densité, Un barreau combustible à haute utilisation d'uranium selon l'invention améliore la distribution du flux des neutrons et par conséquent, la distribution ré- sultante du taux de combustion, à peu près comme le montre la Figure 1 sur laquelle la courbe 1 représente la distri- bution axiale du taux de combustion se on la technique an- térieure et la courbe 2 la distribution axiale de taux de combustion avec la nouvelle réalisation L'avantage de cette amélioration est la grande réduction de différence de taux de combustion entre le milieu et les extrémités du barreau, selon la courbe 1 et la courbe 2. Le barreau combustible à haute utilisation d' ura- nium apporte même une amélioration au concept de manteau axial Un manteau axial est encore utilisé mais des pas- tilles combustibles 3 de faible densité sont également prévues aux extrémités du barreau combustible 4 comrme le montre la Fig 2 Le barreau combustible 4 de la Figure 2 consiste en une pile de pastilles dans une gaine tubulaire R, cette pile de pastillescornportant deux régions de "pastilles standard" 6, deux régions de "pastilles de man- teau" 5 (une à chaque extrémité du barreau 4) et deux ré- gions de pastilles "de densité réduite" 3 La Figure 2 montre égalerient une région 7 de pastilles standard "en op- tion". Les pastilles combustibles 3 de faible densité peuvent Otre des pastilles annulaires creuses ( 9 sur la Figure 3), des pastilles de plus faible densité, des pas- tilles plus petites ou autres dispositions réduisant la charge en uranium par unité de longueur l enrichisse- ment U-235 de ces pastilles 3 de faible densité peut être le mmre que celui des pastilles standard 6 et 7 du mime barreau, mais cela n'est pas nécessaire. La figure 3 représente schématiquement une pas- tille annulaire 9, creuse au centre Ce mode de réalisa- tion, ainsi que d'autres conceptions mentionnées ci-des- sus, conduisent à une plus faible densité d'uranium par unité de longueur axiale du barreau 4, par rapport à la densité dans les régions 6 et 7. Les caractéristiques des pastilles utilisées dans les différentes régions sont résumées dans le tableau I ci-après. Pastilles de mantes Pastilles de densité ( 3) faible Pastilles standard Pastilles standard option( 7) Tableau I Qu ( 5) Pastilles Uo 2 standaxd avec un faible enrichissement de U-235 ou pastilles de thorium Pastilles U 02 enrichies U-235 avec une charge d'uranium linéai- re plus faible que des pastilles standard, des pastilles de faible densité, de plus petites pastil- les etc. ( 6) Pastilles U 02 enrichies U-235 de la variété normalement utilisée dans les réacteurs à eau légère en Pastilles U 02 enrichies U235 de la variété normalement utilisée dans des réacteurs à eau légère avec addition d'une natière d'ab- sorption consor,"able Cette der- nière peut être une matière commne du gadolinium, bore, B 4 C, Zr B 2, etc. L'amélioration de l'utilisation de l'uranium dans les extrémités supérieure et inférieure du barreau com- bustible par l'inclusion de pastilles 3 de faible densité résulte de variations d'utilisation de neutrons, en raison du changement de rapport local du combustible (uranium) au modérateur (hydrogène); un rapport appelé rapport H/U par les ingénieurs nucléaires Moins de neutrons s'échap- l O pent de la région combustible sans engager des réactions de fission avec un rapport H/U réduit. Un mode préféré de réalisation de l'invention est décrit par le tableau II ci-après. Tableau II Pastilles de manteau Pile de 100 mm de pastilles en- (région 5) richies à 0,711 pour cent en poids ayant une densité de: 0, 4949 20 atomes/cm 3 (U-235) 6,8257 21 atomes/cm 3 (U-238) Pastilles de faible den Pile de 100 mmn de pastilles en- sité (région 3) richies à 3,606 % en poids ayant une densité de: 2,1333 20 atomes/cm 3 t U-235) ,6305 21 atomes/cm 3 (U-238) Pastilles standard Pile de 3250 mm de pastilles (régions 6 et 7) enrichies à 3,606 % en poids ayant une densité de: 2,5098 20 atomes/cm 3 (U-235) 6,6242 21 atomes/cm 3 (U-238) 6 2526989 REVENDICATIONS 1 Barreau comibustible perfectionné pour un élé- mlent combustible destiné à un réacteur nucléaire, ce bar- reau colibustible comportant une pile axiale de pastilles, ladite pile de pastille comllprenant une région centrale avec d es pastilles combustibles d'un premier enrichisse- ment de combustible fissible, caractérisé en ce que, au voisinage de ladite région centrale, sont prévues des ré- pions de pastilles ( 3) de faible densité ayant une densi- té totale en combustible, exprimée en unités de masse de combustible par unité de longueur axiale, inférieure à la densité desdites pastilles combustibles dans ladite région centrale, et en ce qu'au moins à une extrémité axiale du- dit barreau est prévue une région de pastilles de manteaus ( 5) d'un second enrichissement inférieur audit premier en- richissement et contenant des substances fertiles. 2 Barreau combustible selon la revendication 1. caractérisé en ce que les pastilles combustibles dudit pre- mier enrichissement contiennent également une matière d'ab- sorption combustible ( 7) choisie dans le groupe comprenant le gadolinium, le bore, B 4 C et Zr B 2. 3 Barreau combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites pastilles combustibles ( 3) de faible densité sont des cylindres annulaires ( 9) comportant un trou central axiale,-ent, dont la présence réduit leur densité linéaire. 4 Barreau combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites pas- tilles ( 3) de faible densité ont un diamètre réduit par rapport auxdites pastilles combustibles.