Brevet FR2712724A1 — publié le 19950524

La présente invention concerne un coeur de réacteur à neutrons rapides dans lequel 30 à assemblages-cibles, chacun contenant 20 à 50 % de nuclides en actinides mineurs ayant de longues demi-vies radio- actives, sont dispersés et chargés de manière hétérogène d'une façon telle que ces nuclides peuvent être brûlés avec efficacité en n'ayant aucun effet considérable sur les caractéristiques du coeur. L'utilisation d'un réacteur à neutrons rapides pour annihiler les nuclides en actinides mineurs ayant une longue demi-vie radio-active, qui sont présents dans le combustible nucléaire consommé dans les réacteurs à eau légère fait maintenant l'objet d'études. Ces actinides mineurs comprennent, par exemple, le neptunium (Np), l'americium (Am), et le curium (Cm). Pour charger un combustible contenant des nuclides en actinides mineurs dans le coeur d'un réacteur, il y a deux approches: l'une qu'on appelle chargement homogène du combustible dans laquelle des petites quantités de nuclides en actinides mineurs sont ajoutées et chargées de manière homogène dans la totalité du combustible du coeur, et l'autre qu'on désigne par chargement hétérogène du combustible dans laquelle un petit nombre d'assemblages combustibles spéciaux (appelés assemblages combustibles-cibles) avec l'addition de grandes quantités de nuclides en actinides mineurs, sont chargés dans le coeur du réacteur. On a maintenant constaté que le chargement homogène du combustible permet d'annihiler les nuclides en actinides mineurs sans qu'il y ait un effet sérieux sur les caractéristiques du coeur, si la teneur des nuclides en actinides mineurs est réduite à environ % de la moyenne du réacteur. Etant donné que les nuclides en actinides mineurs, americium et curium, produisent de grandes quantités de neutrons, de rayons gamma et de chaleur, il faut cependant utiliser des cellules au blindage épais pour la fabrication du combustible. 2 2712724 Au contraire, le chargement hétérogène du combustible permet de réduire le nombre des éléments combustibles contenant des nuclides en actinides mineurs, et donc présente certains avantages en matière de fabrication et de gestion du combustible. En utilisant le chargement hétérogène du combustible pour charger les assemblages combustibles-cibles du coeur d'un réacteur avec une teneur élevée des nuclides en actinides mineurs (c'est-à-dire avec des nuclides en actinides mineurs contenus dans des quantités de 20 à % de la moyenne des assemblages), on constate que les propriétés nucléaires et thermiques sont améliorées par le chargement dispersé du combustible plutôt que par le chargement concentré de celui-ci. Cependant, on attend des propriétés physiques des nuclides en actinides mineurs qu'elles rendent le point de fusion et la conductivité thermique du combustible contenant de grandes quantités de nuclides en actinides inférieurs, inférieurs à ceux du combustible ordinaire en oxydes mélangés (MOX). Lorsque les assemblages combustibles-cibles contenant des nuclides en actinides mineurs sont simplement chargés par la technique du chargement hétérogène, on s'attend à ce que la puissance linéaire permise du combustible soit dépassée. Pour éviter cela, il est nécessaire d'abaisser la puissance de fonctionnement et, par conséquent, il est pratiquement impossible d'obtenir une annihilation suffisante des nuclides en actinides mineurs dans l'assemblage combustible-cible. Un objet de la présente invention est donc d'apporter une solution aux problèmes techniques exposés ci-dessus en fournissant un coeur de réacteur à neutrons rapides dans lequel un nombre réduit d'assemblages- cibles contenant de grandes quantités de nuclides en actinides mineurs ayant de longues demi-vies radio- actives peuvent être dispersés et chargés de manière hétérogène pour brûler efficacement les grandes 3 2712724 quantités de nuclides en actinides mineurs sans effet important sur les caractéristique du coeur. Selon un aspect de la présente invention, on fournit un type, chargé de façon hétérogène, de coeur de réacteur à neutrons rapides, dans lequel un nombre réduit d'assemblages-cibles contenant des nuclides en actinides mineurs sont dispersés et chargés de façon hétérogène, dans lequel: - un tube-enveloppe pour chacun desdits assemblages combustibles-cibles a la même forme et les mêmes dimensions qu'un tube- enveloppe hexagonal pour un assemblage combustible ordinaire d'un coeur, - chacun des barreaux actifs-cibles situés à l'intérieur du tube- enveloppe contient 20 à 50 % de nuclides en actinides mineurs et a un diamètre inférieur à celui d'un barreau actif ordinaire, et - le nombre des barreaux actifs ordinaires chargés dans l'assemblage combustible ordinaire du coeur est 271 alors que le nombre des barreaux actifs-cibles chargés dans l'assemblage combustible-cible est 331 ou 397, - 30 à 50 de ces assemblages combustibles- cibles étant dispersés et chargés de façon hétérogène dans le coeur du réacteur à neutrons rapides. De préférence, le matériau de base du combustible contenant des nuclides en actinides mineurs est un oxyde mélangé ou du nitrure d'uranium et de plutonium. Selon un autre aspect de la présente invention, on fournit un type, chargé de manière hétérogène, de coeur de réacteur à neutrons rapides dans lequel un nombre réduit d'assemblages combustibles- cibles contenant de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de magnésium, de l'oxyde d'aluminium et de magnésium, de l'oxyde de cérium, de l'oxyde de gadolinium, du nitrure d'aluminium ou du nitrure de zirconium, auxquels sont ajoutés des nuclides en actinides mineurs, sont dispersés et chargés de façon hétérogène, o: 4 2712724 - un tube-enveloppe pour chacun des assemblages combustibles-cibles a la même forme et les mêmes dimensions qu'un tube-enveloppe hexagonal pour un assemblage combustible ordinaire de réacteur, - chacun des barreaux actifs-cibles contenus dans le tube-enveloppe renferme 20 à 50 % de nuclides en actinides mineurs, et présente un diamètre inférieur à celui d'un barreau actif ordinaire de coeur, et - le nombre des barreaux actifs ordinaires du coeur chargés dans l'assemblage combustible ordinaire est 271, alors que le nombre des barreaux actifs-cibles chargés dans l'assemblage combustible-cible est 331 ou 397, - 30 à 50 de ces assemblages combustibles- cibles étant dispersés et chargés de façon hétérogène dans le coeur du réacteur à neutrons rapides. Le tube-enveloppe a la même forme et les mêmes dimensions qu'un assemblage combustible hexagonal ordinaire de sorte que l'assemblage- cible peut être manipulé en utilisant une machine ordinaire de manipulation des assemblages combustibles. Les barreaux- cibles situés à l'intérieur du tube-enveloppe contiennent un pourcentage aussi élevé que 20 à 50 % de nuclides en actinides mineurs, de sorte que le point de fusion et la conductivité thermique du combustible diminuent à cause des propriétés physiques des nuclides en actinides mineurs. Selon la présente invention, le diamètre des barreaux-cibles est inférieur à celui d'un barreau actif ordinaire, d'o l'augmentation de la capacité d'extraction de la chaleur, ce qui permet d'éviter toute diminution de la puissance linéaire permise. Cela permet également d'augmenter le nombre des barreaux-cibles chargés, de sorte qu'on peut obtenir la même forme de l'assemblage. Selon la présente invention, il est possible d'atteindre une annihilation suffisamment bonne des nuclides en actinides mineurs, comme cela est le cas d'un coeur auquel des nuclides en actinides mineurs sont 2712724 ajoutés de façon homogène. De plus, il est possible de réduire le nombre des assemblages-cibles à environ 8-14 % de celui des assemblages combustibles du coeur, d'o une grande diminution des coûts concernant la fabrication et la gestion du combustible. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante, faite en liaison avec les dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une courbe de la relation entre la teneur des nuclides en actinides mineurs et le point de fusion du combustible, La figure 2 est une courbe de la relation entre la teneur des nuclides en actinides mineurs et la puissance linéaire permise, La figure 3 est une vue en coupe d'un assemblage combustible utilisé dans la présente invention, La figure 4 est une vue schématique des assemblages combustibles-cibles situés dans le coeur du réacteur selon la présente invention, et La figure 5 est une courbe du nombre des barreaux actifs dans un assemblage combustible-cible et la puissance linéaire maximale permise. Comme on l'a indiqué ci-dessus, la présente invention concerne un type, chargé de façon hétérogène, d'un coeur de réacteur à neutrons rapides dans lequel un nombre réduit (par exemple 30 à 50) d'assemblages combustibles-cibles contenant des nuclides en actinides mineurs sont dispersés et chargés de façon hétérogène. Les barreaux actifs-cibles se trouvant dans chaque assemblage combustible contiennent 20 à 50 % de nuclides en actinides mineurs et ont un diamètre inférieur à celui des barreaux actifs ordinaires, de sorte qu'on peut charger un nombre plus élevé de barreaux actifs- cibles dans l'assemblage combustible-cible. En figure 1 on a représenté la relation entre la teneur des nuclides en actinides mineurs et le point de fusion du combustible. La teneur des nuclides 6 2712724 en actinides mineurs augmentant, le point de fusion du combustible décroît, et la conductivité thermique du combustible diminue également. Pour ces raisons, les assemblages combustibles-cibles contenant de grandes quantités de nuclides en actinides mineurs sont inférieurs aux assemblages combustibles ordinaires (c'est-à-dire, ceux ne contenant pas de nuclides en actinides mineurs) en termes de puissance linéaire permise du combustible, c'est-à-dire de puissance linéaire la plus élevée à laquelle le combustible ne fond pas. En figure 2, on a représenté la relation entre la teneur des nuclides en actinides mineurs et la puissance linéaire permise. Par exemple, lorsque cette teneur est de 50 %, la puissance linéaire permise est d'environ 20 % inférieure à celle qu'on obtient en l'absence de nuclides en actinides mineurs. Pour éviter la diminution de la puissance linéaire permise, il faut abaisser la puissance de fonctionnement. On s'attend donc à ce qu'il ne se produise aucune annihilation suffisante des nuclides en actinides mineurs dans les assemblages combustibles-cibles. Selon la présente invention, cette diminution de la puissance linéaire permise peut être évitée en réduisant le diamètre des barreaux actifs- cibles de façon qu'un nombre plus élevé de barreaux actifs puisse être chargé dans un cylindre-enveloppe ou tube ayant en section la même forme hexagonale que celle employée avec un assemblage combustible ordinaire pour coeur. Cela caractérise la présente invention. En liaison avec la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de l'assemblage combustible employé dans la présente invention. La figure 3A est une section transversale d'un assemblage combustible ordinaire 10 de coeur, alors que la figure 3B est une section transversale d'un assemblage combustible- cible 12 contenant des nuclides en actinides mineurs. L'assemblage combustible ordinaire 10 a une construction 7 2712724 telle que 271 barreaux actifs 16 sont régulièrement chargés dans un cylindre-enveloppe hexagonal ou tube 14, alors que l'assemblage combustible-cible 12 présente une structure telle qu'un nombre aussi élevé que 397 barreaux actifs 18 sont régulièrement chargés dans un tube-enveloppe hexagonal 14 de même géométrie. En liaison maintenant avec la figure 4, on a représenté schématiquement un mode de réalisation de l'agencement d'un coeur dans lequel sont chargés le coeur et les assemblages combustibles-cibles. Pour obtenir un palier de la puissance, cet agencement est d'un type à deux zones dans lequel du plutonium (Pu) est plus enrichi dans la zone extérieure que dans la zone intérieure. Dans les zones intérieure et extérieure, il y a 154 et 180 assemblages combustibles, respectivement, avec 39 assemblages combustibles-cibles dispersés dans ces zones. Au côté le plus à l'extérieur sont prévus des assemblages combustibles de couverture. A des emplacements appropriés se trouvent des barreaux de commande principaux et de réserve. Si l'on prend comme paramètre le nombre des barreaux actifs-cibles (contenant 50 % de nuclides en actinides mineurs) dans l'assemblage combustible-cible dans un tel agencement du coeur, le changement de la puissance linéaire maximale est tel que représenté en figure 5. La puissance linéaire maximale diminue avec l'augmentation du nombre des barreaux actifs-cibles, et devient inférieure à la puissance linéaire permise lorsque le nombre des barreaux actifs-cibles chargés dans l'assemblage combustible-cible atteint 397. De plus, les coefficients cavitaires du sodium et de Doppler sont équivalents à ceux d'un coeur homogène dans lequel des nuclides en actinides mineurs sont employés à la même teneur; aucun problème n'est soulevé pendant le fonctionnement et la commande. De plus, le taux d'annihilation des nuclides en actinides mineurs dans le coeur de la présente invention est équivalent à celui d'un coeur homogène (environ 11 % l'an). 8 2712724 C'est ici que l'on doit noter que, lorsque des barreaux actifs sont régulièrement insérés dans un tube-enveloppe hexagonal, il est inévitable que leur nombre prennent les valeurs finies de, par exemple, 127, 217, 271, 331, 397.... Le nombre standard courant des barreaux actifs ordinaires, chargés par assemblage combustible ordinaire, est établi à 271 compte-tenu des dimensions du tube-enveloppe et de la production des pastilles de combustible. D'autre part, tous les tubes- enveloppes doivent avoir la même forme, comme on peut le voir en figure 4. Selon la présente invention, dans laquelle des barreaux actifs-cibles de diamètre réduit sont utilisés, il est donc possible de charger un nombre aussi élevé que 331 ou 397 barreaux actifs-cibles dans le même tube-enveloppe. Cependant, on remarquera qu'il est pratiquement impossible d'utiliser davantage de barreaux, car il faut non seulement réduire encore leur diamètre, mais des problèmes apparaissent qui sont liés à la résistance mécanique. Dans la présente invention, le matériau de base du combustible contenant des nuclides en actinides mineurs est généralement un oxyde mélangé d'uranium et de plutonium. Cependant, on remarquera que la présente invention peut s'appliquer à un nitrure mélangé d'uranium et de plutonium qui est supérieur au combustible en oxydes mélangés en termes du taux de l'annihilation des nuclides en actinides mineurs. Alors qu'on a décrit le mode de réalisation ci-dessus comme utilisant un combustible contenant de l'uranium et du plutonium pour l'assemblage combustible- cible, on notera qu'on peut utiliser n'importe quel combustible exempt d'uranium et de plutonium pour constituer l'assemblage-cible. En d'autres termes, il est possible de faire appel pour l'assemblage-cible à de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de magnésium, de l'oxyde d'aluminium et de magnésium, de l'oxyde de cérium, de l'oxyde de gadolinium, du nitrure d'aluminium, ou du nitrure de zirconium, auxquels sont ajoutés des nuclides 9 2712724 en actinides mineurs. Cela exclut la possibilité de formation de nuclides en actinides mineurs à partir d'uranium et de plutonium, et donc d'annihiler les nuclides en actinides mineurs avec une efficacité élevée. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 2712724 REVENDICATIONS 1 - Coeur de réacteur à neutrons rapides du type chargé de façon hétérogène, dans lequel un nombre réduit d'assemblages combustibles-cibles (12) contenant des nuclides en actinides mineurs sont dispersés et chargés de façon hétérogène, caractérisé en ce que: - un tube-enveloppe (14) pour chacun des assemblages combustibles-cibles a la même forme et les mêmes dimensions qu'un tube-enveloppe hexagonal pour un assemblage combustible ordinaire de coeur, - chacun des barreaux actifs-cibles (18) se trouvant dans le tube-enveloppe contient 20 à 50 % de nuclides en actinides mineurs, et a un diamètre inférieur à celui d'un barreau actif ordinaire, et - le nombre des barreaux actifs ordinaires chargés dans un assemblage combustible ordinaire de coeur est 271, alors que le nombre des barreaux actifs- cibles chargés dans l'assemblage combustible-cible est de 331 ou 397, - 30 à 50 de ces assemblages combustibles- cibles étant dispersés et chargés de façon hétérogène dans le coeur du réacteur. 2 - Coeur de réacteur selon la revendi- cation 1, dans lequel le matériau de base du combustible contenant des nuclides en actinides mineurs est un oxyde mélangé ou du nitrure d'uranium et de plutonium. 3 - Coeur de réacteur à neutrons rapides du type chargé de façon hétérogène, dans lequel un nombre réduit d'assemblages combustibles-cibles (12) contenant de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de magnésium, de l'oxyde d'aluminium et de magnésium, de l'oxyde de cérium, de l'oxyde de gadolinium, du nitrure d'aluminium ou du nitrure de zirconium, auxquels des nuclides en actinides mineurs sont ajoutés, sont dispersés et chargés de façon hétérogène, caractérisé en ce que: - un tube-enveloppe (14) pour chacun des assemblages combustibles-cibles (12) a la même forme et les mêmes dimensions qu'un tube-enveloppe hexagonal pour un assemblage combustible ordinaire, - chacun des barreaux actifs-cibles (16) se trouvant dans le tube- enveloppe contient 20 à 50 % de nuclides en actinides mineurs, et a un diamètre inférieur à celui d'un barreau actif ordinaire, et - le nombre des barreaux actifs ordinaires chargés dans l'assemblage combustible ordinaire est 271, alors que le nombre des barreaux actifs-cibles chargés dans l'assemblage combustible-cible est 331 ou 397, - 30 à 50 de ces assemblages combustibles- cibles étant dispersés et chargés de façon hétérogène dans le coeur du réacteur.