Brevet FR2679369A1 — publié le 19930122

i BARRE DE COMBUSTIBLE POUR REACTEUR NUCLEAIRE La présente invention concerne une barre de combusti- ble pour réacteur nucléaire qui renferme du dioxyde d'ura- nium (U 02) ou un oxyde mixte (MOX) de dioxyde d'uranium et de dioxyde de plutonium comme combustible nucléaire. Dans un réacteur thermique à neutrons courant, un com- bustible nucléaire contenant du gadolinium (Gd), qui est un régulateur de réactivité de combustible, est utilisé pour contrôler la réactivité excessive et réduire le facteur de point chaud local de manière à améliorer la combustion du combustible nucléaire. Les combustibles nucléaires à base de Gd, utilisés jusqu'à présent, comprennent une pastille homogène consis- tant en une solution solide d'oxyde de gadolinium (Gd 2 03) dans U 02 ou MOX et une pastille double consistant en une solution solide de Gd 203 uniquement dans la portion centra- le de la pastille d'U 02 ou MOX. Ces combustibles en pastilles sont utilisés en empi- lant un certain nombre de pastilles pour former une pile de pastilles, scellant la pile sur un tube de gainage pour former une barre de combustible, en disposant en faisceau une pluralité de barres de combustible pour former un as- semblage combustible, qui est placé dans le coeur d'un ré- acteur. Cependant, les pastilles homogènes décrites ci-dessus ont pour inconvénient que l'effet de régulation de réacti- vité du Gd est si fort que les barres de combustible de très faible puissance sont mal réparties dans l'assemblage. Il en résulte des restrictions nucléaires et thermiques dans les pastilles homogènes. En outre, comme la formation de la solution solide de Gd 2 03 dans U 02 ou MOX est limitée, il est impossible de sé- lectionner la concentration optimale de Gd 203 en fonction de la performance du combustible nucléaire. De plus, pour fabriquer les pastilles homogènes ou doubles, une chaîne de production de pastilles sans Gd et une chaîne de production de pastilles avec Gd sont néces- saires dans une installation de fabrication de combustible nucléaire et la contamination des pastilles sans Gd par le Gd doit être évitée En conséquence, la chaîne de produc- tion pour les pastilles avec Gd o est utilisée de la pou- dre de Gd 203 doit être complètement séparée de la chaîne de production classique pour les pastilles sans Gd et deux ou plusieurs installations de contrôle sont nécessaires, ce qui augmente considérablement le coût de fabrication du combustible nucléaire. Par conséquent, la présente invention a pour objet de proposer une barre de combustible pour réacteur nucléaire utilisant un combustible nucléaire qui permet de pallier les inconvénients des pastilles homogènes avec Gd et pas- tilles doubles classiques pour réduire le coût de fabrica- tion par simplification de l'installation de fabrication, pour supprimer les restrictions nucléaires et thermiques, et pour permettre de sélectionner la concentration de Gd 203 sans limite, selon la performance souhaitée. Selon la présente invention est proposée une barre de combustible pour réacteur nucléaire comprenant une plurali- té de pastilles creuses comportant chacune un trou le long de leur axe central et étant faites de dioxyde d'uranium ou d'un oxyde mixte de dioxyde d'uranium et dioxyde de pluto- nium, une barre faite d'un régulateur de réactivité de com- bustible, la pluralité de pastilles creuses étant embro- chées sur la barre pour former une pile de pastilles, et un tube de gainage dans lequel la pile de pastilles est insé- rée et scellée. Dans la présente invention, comme décrit ci-dessus, les pastilles creuses de U 02 ou MOX sont fabriquées par un procédé classique dans une installation de fabrication de combustible nucléaire D'autre part, la barre d'un régula- teur de réactivité de combustible, par exemple de Gd 203, peut être fabriquée par avance dans une installation de fa- brication de combustible non nucléaire qui est différente de l'installation de fabrication de combustible nucléaire puis être combinée avec les pastilles creuses dans l'ins- tallation de fabrication de combustible nucléaire pour for- mer une barre de combustible de la présente invention Ain- si, il n'est pas nécessaire de disposer de deux chaînes de production indépendantes, à savoir la chaîne pour Gd 203 et la chaîne pour le combustible nucléaire seul, U 02 ou MOX, dans l'installation de fabrication de combustible nucléai- re, et le coût de fabrication de la barre de combustible nucléaire peut être réduit. La barre de combustible optimale peut être formée en modifiant le diamètre de la barre de Gd 203 ou la concentra- tion de Gd 203 dans la barre en fonction de la performance du combustible nucléaire. Dans la structure de la présente invention, dans la- quelle la barre de Gd 203 est insérée dans les trous des pastilles creuses de U 02 ou MOX, l'excellente performance de la pastille creuse classique comme combustible nucléaire peut être conservée telle quelle En effet, par comparaison avec une pastille de combustible solide faite du même maté- riau, la pastille creuse permet de maintenir le combustible à une température peu élevée, de contrôler le dégagement de gaz de fission, et de réduire l'interaction mécanique entre les pastilles de combustible et le tube de gainage En ou- tre, dans la présente invention, les trous des pastilles creuses ne sont pas cassés même lorsqu'il se produit une déformation plastique dans les pastilles creuses durant l'irradiation dans un réacteur nucléaire et, par consé- quent, les caractéristiques des pastilles creuses peuvent être conservées. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description dé- taillée suivante du mode de réalisation préféré de la présente invention, référence étant faite aux dessins an- nexés, sur lesquels: Les figures 1 (A) à 1 (E) illustrent les phases de fa- brication de la barre de combustible de la présente inven- tion; La figure 2 est une coupe transversale dans le sens de la longueur d'une partie de la barre de combustible de la présente invention; La figure 3 est une coupe transversale dans le sens de la largeur le long de la ligne A-A sur la figure 2; La figure 4 est une coupe transversale illustrant un mode de réalisation d'un assemblage combustible dans lequel les barres de combustible de la présente invention sont utilisées pour constituer la couche externe; La figure 5 est un graphique illustrant la relation entre le facteur de point chaud local et la combustion ob- tenue lorsque l'assemblage combustible représenté sur la figure 4 est utilisé (en bas du graphique), lorsque l'as- semblage combustible comprenant des barres de combustible sans Gd est utilisé (au milieu du graphique) et lorsque l'assemblage combustible comprenant des barres de combusti- ble classiques composées de pastilles homogènes avec Gd est utilisé (en haut du graphique); La figure 6 est un graphique illustrant la relation entre le facteur de multiplication efficace et la combus- tion obtenue en modifiant le diamètre de la barre de Gd 203 dans la barre combustible de la présente invention; et La figure 7 est un graphique illustrant la relation entre le facteur de multiplication efficace et la combus- tion obtenue en modifiant la concentration de Gd de la bar- re de Gd 203 dans la barre de combustible de la présente in- vention. La figure 1 illustre le procédé d'assemblage dans la fabrication de la barre de combustible de la présente in- vention La figure 1 (A) illustre des pastilles creuses 1 de U 02 ou MOX et une longue barre 2 de Gd 203 alignée avec les trous des pastilles creuses 1 Les pastilles creuses 1 sont fabriquées par mélange, moulage et frittage de la poudre de U 02 ou NOX dans une installation de fabrication de combus- tible nucléaire classique D'autre part, la barre 2 de Gd 203 est fabriquée en moulant la poudre de Gd 203 en une barre par moulage par extrusion puis en frittant celle-ci dans une installation de fabrication de combustible non nucléaire qui est différente de l'installation de fabrica- tion de combustible nucléaire, puis en la transférant jus- qu'à l'installation de fabrication de combustible nucléai- re. La figure 1 (B) illustre la phase d'insertion de la barre 2 dans les trous des pastilles creuses successives 1 de manière à embrocher les pastilles 1 sur la barre 2 pour former une pile de pastilles, comme représenté sur la figu- re 1 (C) La pile 3 de pastilles ainsi formée est alors in- sérée dans un tube de gainage 4 en métal, par exemple en alliage de zirconium ou en acier inoxydable, comme repré- senté sur la figure 1 (D) puis les extrémités ouvertes du tube de gainage sont scellées avec des bouchons 5 pour for- mer une barre de combustible 10 souhaitée, comme représenté sur la figure 1 (E). Les figures 2 et 3 sont des coupes transversales il- lustrant la structure de la barre de combustible 10 dans laquelle la longue barre 2 est insérée dans les trous des pastilles creuses empilées 1 pour embrocher les pastilles 1 avec la barre 2 et la pile de pastilles ainsi formée est insérée dans le tube de gainage 4. La barre de combustible de la présente invention est décrite ci- dessous relativement à son utilisation dans un réacteur thermique avancé (ATR) La figure 4 illustre un assemblage combustible comprenant au total 54 barres de combustible, à savoir 12 barres constituant la couche in- terne, 18 barres constituant la couche intermédiaire et 24 barres constituant la couche externe Les barres de com- bustible 10 de la présente invention comprenant chacune la combinaison de pastilles creuses 1 de MOX et de barre 2 de Gd 203 constituent la couche externe La barre a une teneur en Gd 203 de 100 % et un diamètre de 1 mm Sur la figure 4, la référence 6 désigne un tube de force et la référence 7 un tube de séparation. La performance de l'assemblage combustible est analy- sée et évaluée avec les résultats obtenus indiqués sur la figure 5 La figure 5 est un graphique illustrant la dépen- dance du facteur de point chaud local de l'assemblage com- bustible (le rapport de la vitesse de production de chaleur linéaire maximale à la vitesse de production de chaleur li- néaire moyenne) par rapport à la combustion Les résultats obtenus en utilisant l'assemblage combustible ayant la constitution illustrée sur la figure 4 apparaissent en bas du graphique et ceux obtenus en utilisant un assemblage combustible comprenant des barres de combustible sans Gd apparaissent au milieu du graphique tandis que ceux obtenus en utilisant un assemblage combustible classique comprenant des barres de combustible composées de pastilles homogènes contenant du Gd apparaissent en haut du graphique Les pas- tilles homogènes contenant du Gd ont une teneur en Gd 203 de 3 % et la couche externe de l'assemblage combustible com- prend 6 barres de combustible composées des pastilles homo- gènes avec Gd. Dans le combustible comprenant les pastilles homogènes avec Gd, la puissance des barres de combustible avec Gd est faible, comme il apparaît en haut de la figure 5 et, par conséquent, la puissance des autres barres de combustible, en particulier celles disposées dans la couche externe, doit être augmentée En conséquence, pour ce qui est des propriétés nucléaires, la tolérance de la limite maximale de puissance de la barre de combustible est réduite et pour ce qui est des propriétés thermiques, le taux de puissance critique est réduit Ainsi, dans le combustible comprenant les pastilles homogènes avec Gd, seulement six des barres de combustible constituant la couche externe de l'assembla- ge combustible sont des barres avec Gd, l'effet de régula- tion de réactivité devenant trop important lorsque la tota- lité des 24 barres de combustible constituant la couche ex- terne renferment du Gd. A l'inverse, dans l'assemblage combustible comprenant les barres de combustible de la présente invention il- lustrées sur la figure 4, la totalité des 24 barres de com- bustible dans la couche externe peut constituer les barres de combustible de la présente invention et, par conséquent, la puissance des barres de combustible dans la couche ex- terne peut être abaissée uniformément Par conséquent, les restrictions nucléaires et thermiques requises dans les pastilles homogènes classiques renfermant du Gd sont sup- primées et une plus grande rationalisation est rendue pos- sible. La figure 6 est un graphique illustrant les résultats d'un examen de la dépendance du facteur de multiplication efficace Keff par rapport à la combustion obtenue lorsque le diamètre de la barre de Gd 203 avec une teneur en Gd 203 de 50 % est de 1, 2 ou 3 mm La figure 7 est un graphique illustrant les résultats d'un examen de la dépendance de Keff par rapport à la combustion obtenue lorsque la teneur de la barre de Gd 203 de 1 mm de diamètre est de 10, 20, 30, 50, 70 ou 100 % Il ressort de ces graphiques qu'un effet de contrôle de la réactivité excessive adapté aux proprié- tés du combustible, par exemple la concentration fissile ou le diamètre de la barre de combustible, peut être obtenu en faisant varier le diamètre et la teneur en Gd de la barre de Gd 203. Bien que le Gd 203 seul soit utilisé comme régulateur de la réactivité du combustible dans les exemples ci-des- sus, d'autres régulateurs, par exemple Sm 203, Eu 203 et Dy 203, peuvent également être employés La concentration du régulateur peut être ajustée par dilution de celui-ci avec un matériau céramique autre que le régulateur, par exemple Zr O 2 ou A 1203. Il ressort de ce qui précède que la présente invention permet à une barre comprenant un régulateur de réactivité de combustible tel que du Gd 203 d'être fabriquée dans une installation ordinaire qui n'exige aucun contrôle des ra- diations et, par conséquent, peut se passer de deux chaînes de production séparées, à savoir une chaîne pour Gd 203 et une chaîne pour le combustible U 02 ou MOX, seul, dans l'installation de fabrication de combustible Le coût de fabrication de la barre de combustible nucléaire s'en trou- ve considérablement réduit. La solubilité de Gd 203 dans U 02 ou MOX est limitée dans une pastille homogène classique comprenant une solu- tion solide homogène de Gd 203 dans U 02 ou MOX Cependant, dans la présente invention, la conception optimale pour la performance du combustible nucléaire est possible en modi- fiant le diamètre de la barre de Gd 203 et/ou la concentra- tion de Gd 203 en fonction de la performance du combustible nucléaire et, en outre, les restrictions nucléaires et thermiques requises pour les pastilles homogènes sont sup- primées. De plus, dans la présente invention dans laquelle les pastilles creuses de U 02 ou MOX sont utilisées, le combus- tible dans le réacteur peut être maintenu à une température peu élevée, et les excellentes propriétés des pastilles creuses classiques de manière que la décharge du gas de fission puisse être réduite, peuvent être conservées. REVENDICATIONS 1 Barre de combustible ( 10) pour réacteur nucléaire com- prenant: une pluralité de pastilles creuses ( 1) comportant cha- cune un trou le long de leur axe central et étant faites de dioxyde d'uranium ou d'un oxyde mixte de dioxyde d'uranium et dioxyde de plutonium, une barre ( 2) faite d'un régulateur de réactivité de combustible, ladite pluralité de pastilles creuses ( 1) étant embrochées sur ladite barre ( 2) pour former une pile ( 3) de pastilles, et un tube de gainage ( 4) dans lequel ladite pile de pas- tilles est insérée et scellée. 2 Barre de combustible ( 10) pour réacteur nucléaire se- lon la revendication 1, dans laquelle le diamètre de ladite barre ( 2) est ajusté en fonction de la performance souhai- tée pour la barre de combustible. 3 Barre de combustible ( 10) pour réacteur nucléaire se- lon la revendication 1, dans laquelle la concentration du régulateur de réactivité de combustible dans ladite barre ( 2) est ajustée en fonction de la performance souhaitée pour la barre de combustible. 4 Barre de combustible ( 10) pour réacteur nucléaire se- lon la revendication 3, dans laquelle l'ajustement de la concentration du régulateur de réactivité de combustible dans ladite barre ( 2) est effectué en diluant le régulateur avec un matériau céramique. Barre de combustible ( 10) pour réacteur nucléaire se- lon la revendication 1, dans laquelle ledit régulateur de réactivité de combustible est de l'oxyde de gadolinium.