Brevet FR2619949A1 — publié le 19890303

COEUR DE REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES AVEC GAIN DE REGENERATION AMELIORE ET TAUX DE COMBUSTION ACCRU. DESCRIPTION La présente invention a pour objet un coeur de réacteur nucléaire à neutrons rapides presentant des caractéristiques améliorées, notamment en ce qui concerne un taux de combustion accru, tout en présentant également un gain de régénération amélioré. ELle peut s'appliquer en transformant un coeur de réacteur à neutrons rapides tel que celui décrit dans le brevet français FR-A-2 568 713 au nom de la société Novatome. Le coeur du réacteur est de forme générale cylindrique à axe vertical et il est constitué d'assemblages combustibles juxtaposés parcourus par du sodium Liquide de refroidissement et muni de pieds fichés dans des chandelles d'un sommier utilisé également comme collecteur d'alimentation de sodium. Les assemblages combustibles contiennent des aiguilles verticales formées de gaines tubulaires minces garnies intérieurement de matériau combustible. Ce matériau n'est pas homogène et on peut distinguer, en faisant abstraction de détails localisés tels que les barres de commande, une zone de matériau fertile à la périphérie du coeur cylindrique composée de deux ouvertures axiales et d'une ouverture radiale) et une zone centrale principalement en matériau fissile, mais qui comprend encore des portions de matériau fertile disposées, par exemple, en couches planes parallèles aux couvertures axiales. Le matériau fissile utilisé est un mélange d'oxydes d'uranium 235 et de plutonium (UO et PuO ), ou un seul de ces 2 2 oxydes. Le matériau fertile utilisé dans ces coeurs déjà connus est de l'oxyde d'uranium appauvri. Tous ces matériaux sont insérés dans les gaines sous forme de pastilles. Au cours de la combustion, du plutonium se crée dans le combustible fertile alors que le plutonium créé dans le combustible fissile ne suffit pas à compenser celui qui a brûle. C'est pourquoi la réactivite du coeur diminue progressivement et il est nécessaire de remplacer reLativement fréquemment le combustible du coeur en acceptant un taux de combustion moins favorable que souhaite et un gain de régénération peu élevé. L'interposition de couches fertiles au sein de la matière fissile permet, en reduisant l'enrichissement moyen, de freiner sensiblement la chute de réactivité du coeur et d'améliorer le gain de régénération, car l'irradiation des couches fertiles renouvelle le combustible du coeur tout en créant du plutonium récupérable. Toutefois, il est encore possible d'améliorer le taux de combustion et le gain de régénération d'un tel coeur, ce qui constitue l'objet essentiel de la présente invention. Celle-ci a en effet pour objet un coeur de réacteur nucléaire à neutrons rapides comprenant des assemblages combustibles munis d'aiguilles constituées d'une gaine d'acier renfermant des matériaux fissiles et fertiles, les matériaux fissiles étant choisis parmi l'oxyde de plutonium et/ou l'oxyde d'uranium, dans lequel les aiguilles périphériques sont emplies de matériau fertile et constituent une couverture radiale et les aiguilles centrales sont emplies de matériau fertile aux deux extrémités, constituant deux couvertures axiales, et d'une alternance de segments de matériau fissile et fertile entre ces extrémités, caractérisé en ce que le matériau des segments de matériau fertile est choisi parmi le nitrure d'uranium, le carbure d'uranium et le carbonitrure d'uranium. Les couvertures axiales et/ou radiales peuvent cotre constituées du même matériau. On va maintenant décrire l'invention à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et nullement limitatif - la figure 1 représente une vue générale d'un coeur de réacteur nucléaire à neutrons rapides, - les figures 2 et 2A représentent deux réalisations d'aiguilles selon l'invention, - la figure 3 est un diagramme représentant, au début et à la fin de l'irradiation du coeur, la répartition de puissance obtenue le long de l'axe du coeur. La figure 1 représente donc un coeur de réacteur nucléaire de forme cylindrique délimité en haut par une plaque d'instrumentation 1, en bas par un sommier 2, et radialement par une virole 3. Il est rempli d'assemblages combustibles 4 que l'on introduit par des orifices 5 de la plaque d'instrumentation 1 et dans lesquels ils sont maintenus en place avec un faible jeu. Les assemblages combustibles -4 sont des tubes longs à section hexagonale, à l'exception de leur partie inférieure 6 qui constitue un pied tubulaire cylindrique de révolution et qui est de plus petite section que la partie hexagonale. Les pieds 6 sont introduits dans des tubes entretoises 7 disposés entre deux plaques superposées 8 et 9 qui constituent le sommier 2. Les pieds 6 et les tubes entretoises 7 contribuent donc à assurer La stabilité des assemblages combustibles 4. Ils sont percés d'orifices calibrés non représentés et permettent d'assurer le pasage de sodium liquide froid sous pression, préalablement injecté entre Les plaques superposées 8 et 9 par un système d'alimentation dans l'intérieur des assemblages combustibles 4. Le sodium liquide vient alors baigner des aiguilles verticales 10 installées dans les assemblages combustibles 4. Ces aiguilles 10 se composent, comme on le voit sur les figures 2 et 2A, d'une gaine en acier de faible épaisseur 11 (quelques dixièmes de millimètre) dans lesquelles on empile des pastilles de combustible. Les aiguilles 10 appartenant aux assemblages combustibles 4 périphériques sont emplies de pastilles de matériau fertile ; les autres sont emplies successivement, de haut en bas, d'une couche supérieure 12 de pastilles de matériau fertile, d'une couche médiane 13 de pastiLles principalement de matériau fissile, et d'une couche inférieure 14 de pastilles de matériau fertile. La couche médiane 13 comprend cependant une pluralité de segments de matériau fissile 15 séparés par des segments de matériau fertile 16 de plus faible hauteur. Sur la figure 2, on observe ainsi deux segment s de matériau fissile 15 et un segment de matériau fertile 16 intermédiaire à mi-longueur de l'aiguille 10 ; sur la figure 2A on observe trois segments égaux de matériau fissile 15 et deux segments de matériau fertile 16. Un plus grand nombre de segments 15 et 16 est tout à fait concevable et les représentations des figures 2 et 2A ne sont donnees qu'à titre d'exemple. Dans une réalisation possible, les hauteurs sont 100 mm pour chacune des couches supérieure et inférieure 12 et 14, 300 à 500 mm pour chacun des segments de matériau fissile 15 et 150 à 200 mm pour chacun des segments de matériau fertile 16, la hauteur totale de la couche médiane étant 1 600 mm. Si on revient à la figure 1, on constate ainsi que les aiguilles périphériques 10 emplies uniquement de matériau fertile constituent une couverture radiale 21, que l'ensemble des couches supérieure et inférieure de matériau fertile 12 et 14 constitue deux couvertures axiales 22 et 24, et que l'ensemble des segments de matériaux fissile et fertile 15 et 16 délimite des couches médianes 25 et 26 horizontales et alternées. Selon l'invention, le matériau fertile des segments 16 est choisi parmi le nitrure d'uranium, le carbure d'uranium et le carbonitru235 d'uranium, l'uranium étant au taux d'enrichissement (0,25 X d' U) habituel pour ces zones fertiles 16. Avantageusement, les couvertures axiales 22 et 24, ou la couverture radiale 21, ou encore toutes ces couvertures, peuvent également être choisies parmi le nitrure d'uranium, le carbure d'uranium et le carbonitrure d'uranium. Les segments de matériau fissile 15 sont classiquement un mélange d'oxyde d'uranium enrichi UO et de plutonium enrichi 2 PuO 2 On peut expliquer le fonctionnement de ce coeur comme suit. L'épuisement progressif du combustible contenu dans les segments de matériau fissile 15 libère de l'oxygène qui migre à l'intérieur de ces segments 15. Une partie de cet oxygène tend à être adsorbée par les gaines 11 et à les corroder. Comme les gaines 11 travaillent à température élevée (650 à 7000C) et sous des sollicitations importantes dues à la pression des gaz de fission, l'amincissement qui résulte de la corrosion peut conduire à leur rupture, ce qui est très gênant et donc à éviter pour l'exploitation du réacteur. Cette corrosion des gaines 11 est empêchée par l'emploi de matériau fertile parmi ceux mentionnés. Le potentiel oxygène du système constitué par la matière fissile et la matière fertile est en effet très bas, plus bas que celui du fer, ou du chrome généralement allié à l'acier des gaines 11. L'oxygène dégagé par la combustion des segments de matériau fissile 15 se fixe donc sur le matériau fertile et produit, dans le cas où on emploie du nitrure d'uranium, un dégagement d'azote inoffensif. La fixation a lieu surtout sur les segments intermédiaires de matériau fertile 16 ; l'invention s'applique donc en priorité à ces segments. Toutefois, on peut également avantageusement décider que les couches supérieure 12 ou inférieure 14 de matériau fertile constituant les couvertures axiales 22 et 24, ou meme le matériau fertile constituant la couche radiale 21, seront constituées de ces matériaux à très bas potentiel oxygène.Ce n'est toutefois pas nécessaire, car il suffit que le matériau fertile selon l'invention occupe un volume égal à environ 20X du volume des segments de matériau fissile 15 pour que tout l'oxygène puisse être absorbé, d'autant plus que la température élevée dans les assemblages combustibles 4 favorise cette absorption. Divers autres aménagements peuvent être prévus certains au moins des segments de matériau fissile 15 peuvent être traversés axialement par un trou central 19 débouchant sur les segments de matériau fertile 16 ou suivant le cas, sur les couches supérieure 12 ou inférieure 14. La diffusion axiale de l'oxygène vers la matière fertile qui l'absorbe est nettement facilitée. Les gaz non oxydants finalement dégagés par l'oxydation de la matière fertile aboutissent aux extrémités 31 et 32 des gaines 11, respectivement au-dessus de la couche supérieure fertile 12 et au-dessous de la couche inférieure fertile 14, dont elles sont séparées par des bouchons d'acier 33 et 34 percés d'un trou axial et qui sont inoccupées pour servir de chambres d'évacuation aux gaz dégagées. L'emploi de matériaux fertiles denses intercalés entre le combustible fissile permet du même coup d'obtenir un meilleur aplatissement axial de la puissance fournie, un meilleur gain de régénération du combustible et finalement une chute de réactivité nulle. C'est ce que représente la figure 3 ; la courbe en traits pleins 35 représente, en fonction de la position axiale dans le coeur, la répartition de puissance fournie au début du fonctionnement de l'installation ; la courbe en tirets 36 représente la même grandeur à la fin du fonctionnement de l'installation, quand le combustible est irradié. On voit que la puissance totale est sensiblement la même, la création de combustible fissile dans les parties fertiles compensant l'épuisement progressif du combustible dans le matériau fissile, et que d'autre part les couches fissiles émettent toutes sensiblement la même densité de puissance. En conclusion, le choix d'un matériau fertile absorbeur d'oxygène permet d'obtenir un coeur nucléaire plus satisfaisant sous plusieurs aspects. REVENDICATIONS 1. Coeur de réacteur nucléaire à neutrons rapides comprenant des assemblages combustibles (4) munis d'aiguilles (10) constituées d'une gaine d'acier (11) renfermant des matériaux fissiles et fertiles, les matériaux fissiles étant choisis parmi l'oxyde de plutonium et/ou L'oxyde d'uranium, dans lequel les aiguilles (10) périphériques sont emplies de matériau fertile et constituent une couverture radiale (21) et les aiguilles (10) centrales sont emplies de materiaux fertiles aux deux extrémités, constituant deux couvertures axiales (22, 24), et d'une alternance de segments de matériau fissile (15) et fertile (16) entre ces extrémités, caractérisé en ce que le matériau des segments de matériau fertile (16) est choisi parmi le nitrure d'uranium, Le carbure d'uranium et le carbonitrure d'uranium. 2. Coeur de réacteur nucléaire à neutrons rapides selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau fertile des couvertures axiales (22, 24) est choisi parmi le carbure d'uranium, le nitrure d'uranium et le carbonitrure d'uranium. 3. Coeur de réacteur nucléaire à neutrons rapides selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau fertile de la couverture radiale (21) est choisi parmi le carbure d'uranium, le nitrure d'uranium et le carbonitrure d'uranium. 4. Coeur de réacteur nucléaire à neutrons rapides selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les segments de matériau fissile (15) des aiguilles (10) centrales sont traversés d'un conduit longitudinal (19) débouchant sur les segments de matériau fertile (16). 5. Coeur de réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les segments de matériau fissile (15) des aiguilles (10) centrales sont au nombre de deux, séparées par un segment unique de matériau fertile (16) à mi-longueur de l'aiguille (10). 6. Coeur de réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les segments de matériau fissile (15) des aiguilles (10) centrales sont au nombre de trois et de longueurs égales, et sont séparés par deux segments de matériau fertile (16).