Brevet FR2817385A1 — publié le 20020531

PASTILLE DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE OXYDE ET CRAYON COMPORTANT UN EMPILEMENT DE TELLES PASTILLES L'invention concerne le combustible nucléaire utilisé dans les réacteurs refroidis et modérés par de l'eau. Le combustible nucléaire se présente dans de tels réacteurs sous forme de pastilles frittées de forme approximativement cylindrique, à base d'oxyde d'uranium enrichi en isotope 235 et/ou en plutonium. Le combustible peut comporter également un poison neutronique et/ou un faible pourcentage de métaux ou oxydes destinés à provoquer un grossissement des grains lors du frittage et à augmenter la rétention des gaz de fission (WO-A-94 29874). Le combustible est utilisé sous forme d'empilement de pastilles dans des gaines en alliage à base de zirconium. Un impératif dans la conception des pastilles et des crayons est la sûreté. Pour des raisons économiques, on cherche à allonger le plus possible la durée de séjour des crayons de combustible en réacteur et à réduire le coût de fabrication des pastilles. Un facteur important limitant la flexibilité d'exploitation du réacteur est l'augmentation du risque de rupture de gaine par la sollicitation mécanique provoquée par l'interaction pastilles-gaine, désignée par l'abréviation IPG. A ce jour, on a adopté de façon quasi universelle des pastilles quasi-cylindriques ayant une hauteur supérieure à leur diamètre. A titre d'exemple, on utilise largement à l'heure actuelle des pastilles ayant un diamètre D d'environ 8,2 mm et une hauteur H de 13,4 mm, qui correspond à un rapport H/D de 1,6 environ. Un jeu diamétral relativement important, de l'ordre de 170 um, est prévu entre les pastilles et la gaine, pour réduire l'IPG, et des évidements sont ménagés dans les faces d'extrémité des pastilles et ces faces terminales présentent un chanfrein. On a également proposé (JP-A-54 07 4985) des crayons de combustible nucléaire dont les pastilles et la gaine sont dimensionnées de façon à ce que les pastilles aient un rapport hauteur/diamètre inférieur à 0,7 et simultanément que la diagonale de la pastille soit inférieure à la somme du diamètre et du jeu radial, ce qui se traduit par un jeu radial important, qui est un obstacle aux transferts thermiques. L'invention vise notamment à fournir des pastilles de combustible nucléaire, et des crayons contenant un empilement de telles pastilles, répondant mieux aux exigences de la pratique que ceux antérieurement connus, notamment en ce que les contraintes circonférentielles dues à l'IPG sont considérablement réduites, pour une même valeur du jeu diamétral initial entre les pastilles et la gaine. Dans ce but, l'invention propose une pastille dont le rapport H/D entre la hauteur et le diamètre est compris entre 0,4 et 0,6, de préférence d'environ 0,5. Il a été constaté qu'une telle pastille permet, à un jeu initial donné, de réduire de façon très considérable les contraintes circonférentielles dans la gaine pour les puissances élevées. Une étude systématique a montré que les contraintes circonférentielles, toutes choses étant égales par ailleurs, continuent à diminuer pour des rapports H/D inférieurs à 0,4 et que le gain en contrainte de Tresca (contrainte circonférentielle moins contrainte radiale) continue à augmenter. Mais des difficultés de mise en oeuvre industrielle sont à prévoir lorsque le rapport H/D est inférieur à 0,4. Les diamètres des évidements des faces d'extrémité pourraient rester les mêmes que celles des pastilles"longues". Le diamètre de l'évidement doit laisser subsister une surface de contact suffisante entre deux pastilles empilées. Pour une pastille de 8,192 mm de diamètre, on pourra utiliser un diamètre d'évidement de 4,72 mm, lorsque la pastille présente un chanfrein sur une largeur de 0,42 mm. Une réduction de la profondeur des évidements en proportion stricte de la réduction de hauteur n'est pas favorable pour les rapports H/D entre 0,4 et 0,6. Il sera avantageux d'accroître la profondeur pour une rapport H/D entre 0,4 etO, 6. Dans certains cas, on pourra même se dispenser de rectifier la pastille, ce qui représente un avantage économique important, notamment par la suppression des boues de rectification et la simplification de la fabrication. Le jeu initial est choisi pour tenir compte des transferts thermiques entre les pastilles et la gaine et ne dépassera pas 200 um en général notamment pour un diamètre nominal initial des pastilles de l'ordre de 8,192mm. Un jeu initial faible peut être admis si les pastilles sont rectifiées, ce qui réduit la dispersion entre les diamètres moyens de différentes pastilles et l'écart entre les diamètres maximal et minimal d'une même pastille. Le chargement est facilité s'il y a des chanfreins à la périphérie des faces d'extrémité. Enfin, il est apparu que le passage d'une pastille ayant une hauteur très supérieure à son diamètre à une pastille de hauteur proche de la moitié du diamètre ne se traduisait pas par une fragilisation rédhibitoire. L'invention propose également un crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine en alliage à base de zirconium et un empilement de pastilles du genre ci-dessus définies, le jeu initial au diamètre entre la pastille et la face interne de la gaine ne dépassant pas 200 um. Dans un mode avantageux de réalisation, les pastilles contiennent un additif constitué par un oxyde métallique activant la croissance cristalline et augmentant la viscoplasticité en favorisant le fluage à haute température et la rétention des gaz de fission. Parmi les additifs utilisables, on peut notamment citer Cr203, Si02, Nb20s et At203, isolément ou en combinaison. Si02, à une teneur de 100 à 300 ppm, améliore le fluage par formation d'une phase visqueuse qui facilite le glissement aux joints de grains, mais Si02 n'a pas d'effet favorable sur la taille des grains, que l'on cherche à augmenter pour ralentir le relâchement de gaz de fission. De plus, utilisée seule, elle fragilise les pastilles. Associé à une teneur de 1200 à 2000 ppm de Cr203, Si02, à une teneur allant jusqu'à 200 ppm, a un effet favorable. Ab03 ne peut être utilisé qu'à une teneur faible, de l'ordre de 75 ppm, correspondant à sa limite de solubilité dans U02 à la température de frittage. Elle a alors un effet favorable sur la vitesse de fluage. Mais la nécessité d'un contrôle précis de la teneur complique la fabrication. Art203 à une teneur jusqu'à 100 ppm peut être ajouté à une teneur de 1200 à 2000 ppm de Cr203. Les études effectuées ont montré que l'introduction de Cr203 dans la poudre d'U02, (éventuellement comprenant une fraction de Putz), à une teneur initiale conduisant à une teneur comprise entre 1250 et 2000 ppm dans les pastilles frittées, présente un intérêt tout particulier pour l'augmentation du fluage aux températures et niveaux de contrainte rencontrés en fonctionnement dans les crayons de combustible et accroît la viscoplasticité du produit fritté, donc réduit la poussée des pastilles sur la gaine lors des transitoires de puissance. L'addition de certains oxydes ou certains métaux permet d'obtenir un grossissement des grains. En particulier, COs provoque, pour les teneurs supérieures à 750 ppm, une augmentation de la taille des grains. Au-delà de 1500 ppm, la taille des grains augmente de façon quasi exponentielle. La teneur finale sera choisie entre 1200 et 2000 ppm. Il sera avantageux d'adopter une teneur finale de 1600 + 150 ppm car en deçà, le grossissement des grains est limité et au-delà de 1750 ppm de teneur initiale, il se produit une forte évaporation du dopant dans le four de frittage et il n'y a pas de gain appréciable sur le comportement en fluage. Dans la pratique, on utilisera une teneur d'environ 1600 ppm, qui est favorable à la fois à l'amélioration du fluage et à l'accroissement de la taille des grains. Pour obtenir des caractéristiques optimales lorsque les pastilles contenant un additif dopant, et notamment Cr203, il est souhaitable d'effectuer le frittage dans des conditions ne risquant pas de ramener Cr203 à l'état métallique, en dépit du fait que les fours de frittage habituels n'admettent pas une atmosphère oxydante. Dans la pratique, un traitement des pastilles à vert comportera généralement un pré-frittage à une température en atmosphère d'hydrogène sec ou comportant une très faible fraction de vapeur d'eau et un frittage à une température maximale comprise entre 1700 et 1750oC, en atmosphère d'hydrogène ayant de 1,9 à 2,5 % en volume de vapeur d'eau, dans la zone de frittage, ce qui peut conduire jusqu'à environ 3 % de vapeur d'eau à l'entrée du four continu de frittage. Dans un mode de réalisation, la pastille frittée présente une forme sensiblement cylindrique avec des évidements et des chanfreins. Toutefois, on peut adopter une forme en tonneau donnant à la pastille un diamètre, dans son plan médian, supérieur de quelques dizaines de microns au diamètre des faces terminales, pour contrebalancer la déformation en diabolo. Une forme très légèrement conique peut également être utilisée lorsqu'il y a des variations de densité le long de la pastille. Les faces terminales comportent avantageusement des évidements, en forme de calotte sphérique et/ou des chanfreins. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1, où l'échelle n'est pas respectée pour plus de clarté, est une vue en coupe montrant les paramètres dimensionnels d'une pastille de combustible nucléaire et d'une gaine ; - la figure 2 montre la variation de la contrainte de Tresca en fonction du rapport H/D pour des pastilles avec le même évidement dans une gaine chargée en pastilles de type courant et en pastilles rectifiées suivant l'invention ; - la figure 3 montre un profil type de variation de température dans un four à défilement ; - la figure 4 montre un profil type d'humidité en fonction de la température, à respecter dans un four. Les pastilles 10 qui ont fait l'objet des études étaient constituées d'oxyde d'uranium faiblement enrichi ; elles étaient destinées à être introduites dans des gaines 12 en alliage à base de zirconium, ayant une épaisseur de 0,57 mm et un diamètre interne nominal de 8,36 mm. La comparaison qui sera faite ultérieurement correspond au cas de pastilles rectifiées. Toutes les pastilles avaient un diamètre D moyen de 8,192 mm. Il est rappelé que les pastilles standard ont un rapport H/D = 1,64. Les irrégularités de diamètre (en dessous de 30 um) observées sur des pastilles non rectifiées n'ont pas d'influence notable sur l'intérêt du concept de pastille très courte. Les deux dernières valeurs n'ont été prises en compte que pour les pastilles suivant l'invention ayant une valeur H/D = 0,5. Pour les pastilles standard, seule la valeur habituelle a été retenue. La plupart des pastilles ont été compressées et frittées, puis rectifiées dans des conditions leur donnant une forme cylindrique ; il est également possible d'utiliser le procédé décrit dans la demande de brevet déposée ce jour au nom de"Franco-Belge de Fabrication de Combustibles"pour"Procédé de fabrication de pastilles de combustible nucléaire oxyde". Une comparaison a été effectuée entre les contraintes circonférentielles et radiales, calculées par simulation, dans la zone de la gaine qui est généralement critique, c'est-à-dire dans le plan interne de la gaine, dans le plan inter-pastille. Une série d'essais a conduit à la courbe donnée en figure 2. Cette courbe représente le gain sur la contrainte de Tresca en fonction du rapport H/D pour une puissance dissipée de 424 W par centimètre de longueur de crayon, par comparaison avec des pastilles cylindriques de type courant, ayant un rapport H/D = 1,64, ayant toutes le même évidement de 0,32 mm. On constate que le gain en contrainte peut être voisin de 50 MPa pour H/D = 0,5 ce qui permet d'augmenter la puissance admissible en transitoire sans pour autant atteindre la valeur, comprise entre 460 et 495 MPa, que l'on considère généralement comme une limite de contrainte à ne pas dépasser dans la gaine. On peut ainsi améliorer la souplesse d'exploitation des réacteurs commerciaux et répondre rapidement à toute demande d'électricité instantanée du réseau. En résumé, et bien que la contrainte circonférentielle continue à diminuer au-dessous d'une valeur H/D de 0,5, cette valeur de 0,5 semble être proche de l'optimum, sil'on tient compte d'autres paramètres, tels que la fragilité des pastilles et le risque de fractionnement. Une forme en diabolo a elle aussi été étudiée. Il a été constaté qu'elle n'a pas d'influence notable. La présence d'une fraction cylindrique aux extrémités permet de réduire l'angle d'appui contre la gaine. Sur des pastilles ayant un rapport H/D = 0,5, pour la même profondeur d'évidement, une différence d'environ 20 um entre le rayon des phases d'extrémités et le rayon minimum ne doit pas être dépassée en général. Les variabilités de diamètre observées ( De l'ensemble des résultats obtenus, on peut tirer les conclusions suivantes. La diminution du rapport H/D apporte un gain notable du point de vue des contraintes, par suite de divers phénomènes et notamment du fait que cette diminution réduit la déformation géométrique en diabolo provoquée par la différence de température entre le centre de la pastille et sa périphérie. Une valeur H/D = 0,5 représente, pour des pastilles de dioxyde d'uranium ayant un diamètre proche de la valeur habituelle de 8,192 mm, un compromis satisfaisant entre la réduction des contraintes, les possibilités de fabrication et la fragilisation ; elle permet souvent, du fait de la réduction des contraintes, d'utiliser des pastilles non rectifiées, donc plus économiques. La profondeur p des évidements sera en général comprise entre 0, 013 H et 0, 052 H. Il est possible de conserver la valeur p = 0,32 couramment utilisée à l'heure actuelle pour D = 8, 192 mm. Comme on l'a indiqué plus haut, la présence d'additifs dopants, et notamment d'oxyde de chrome Cr203, dans les pastilles à vert, combinée à un mode de frittage favorisant un grossissement des grains, permet d'augmenter le fluage des pastilles frittées et la plasticité et donc de diminuer l'IPG. Pratiquement, l'influence de Cr203 sur le comportement en fluage et la croissance de la taille des grains de U02 au cours du frittage met en oeuvre différents mécanismes qu'il a fallu identifier pour arriver à un résultat optimum. - Le comportement en fluage, étudié à des températures allant de 1400oC à 1600oC sous des contraintes allant de 30 à 60 MPa a montré une forte incidence de la forme de Cr203 dans la matrice d'U02 et de la taille des gains, avec dans tous les cas un gain qui peut aller jusqu'à un facteur 10, et en général un gain en fluage qui est optimum pour les valeurs voisines de 1500 ppm lorsque Cr203 est utilisé seul. - Le grossissement des grains relève, pour des teneurs jusqu'à 1500 ppm, d'une solubilisation quasi complète de Cr203 dans U02, et d'une activation de la croissance cristalline correspondant à une augmentation du coefficient de diffusion de U4+ dans l'U02 permettant d'arriver à une taille de grains d'environ 40 um pour des conditions optimales de frittage, avec une température maximale d'environ 1750oC. Pour des teneurs supérieures, l'augmentation de la mobilité des joints de grains, par accroissement de la quantité de Cr203 intergranulaire, donne une évolution rapide de la taille des grains conduisant à une taille supérieure à 40 um. La recherche d'un optimum de concentration du point de vue de la taille des grains et des capacités de rétention des gaz de fission doit tenir compte cependant de la technologie des fours de frittage industriels et du fait que l'optimum n'est pas forcément le même que celui relatif au fluage. A l'heure actuelle, les fours utilisent des atmosphères réductrices, car ils comportent des éléments oxydables. De ce fait, on effectuera le frittage en atmosphère d'hydrogène, mais associé à de la vapeur d'eau pour augmenter le potentiel d'oxygène de l'atmosphère et favoriser l'action du dopant. Une teneur de 5 % maximale en volume de vapeur d'eau, admissible dans les fours, permet d'obtenir à un potentiel d'oxygène d'environ - 500 kJ/mol à froid, qui peut arriver à-350 kJ/mol à 2000oC. Une comparaison avec le potentiel d'oxygène correspondant à l'équilibre Cr/Cr203 fait apparaître que Cr203 est réductible en chrome dès 1000oC sous une atmosphère d'hydrogène à 0,005 % de vapeur d'eau, mais seulement à partir de 1500oC sous une atmosphère d'hydrogène et à partir de 1 % de vapeur d'eau, et que Cr203 est stabilisé à 1700 C-1750 C au-delà de 2, 5 % de vapeur d'eau. Par ailleurs, au-delà de 1750 ppm de Cr203 dans les pastilles à vert, il se produit au cours du frittage une forte évaporation qui fait qu'il est difficile de dépasser une teneur globale finale de 1800 ppm dans la pastille frittée. Le frittage, pour être satisfaisant, exige d'attendre localement (dans un four à défilement) 1750oC environ. Comme indiqué plus haut, l'atmosphère, qui varie forcément le long du four, ne doit pas réduire Cr203 à l'état de métal qui n'a pas d'effet bénéfique. Dans un four comportant cinq zones de chauffe successives, il a été constaté que le cycle de frittage montré en figure 3 donnait de bons résultats. Les deux premières sont destinées au pré-frittage et à l'élimination des adjuvants (notamment organiques) ajoutés à la poudre d'UO2 pour améliorer les caractéristiques du produit final (solidité, aspect, structure). La montée en température de 1500oC à 1750oC est ralentie (par exemple environ 80 C/h) pour favoriser la croissance des grains. Le gaz humidifié n'étant habituellement introduit dans le four que dans la zone de frittage, la composition de l'atmosphère varie le long du four. Un profil de variation de l'humidité du type montré en figure 4 donne de bons résultats pendant le frittage proprement dit, le taux d'humidification de l'atmosphère est en moyenne de 1,9 vol. % H20. Des essais ont également été effectués avec des concentrations en dopants accrues ou avec une combinaison de dopants, ajoutant Si02 et/ou Ale03 à Cr203, notamment : 2000 ppm Cr203 2000 ppm Cr203 + 50 à 200 ppm Si02 2000 ppm Cr203 + 100 ppm Si02 + jusqu'à 100 ppm Al203 1000 ppm Cr203 + 50 à 200 ppm Si02 1800 ppm Cr203 + 50 à 200 ppm Si02 1500 ppm Cr203 + 100 ppm Si02 Ces essais ont confirmé qu'une teneur de Cr2O3 dépassant 1750 ppm n'apportait pas d'avantages suffisants pour compenser les difficultés liées à l'évaporation et que si Si203 et Ail203 à très faible teneur permettait de compléter l'action de Cr2O3. REVENDICATIONS 1. Pastille de combustible nucléaire oxyde, sensiblement cylindrique, à base d'oxyde d'uranium enrichi, caractérisée en ce que le rapport H/D entre la hauteur et le diamètre de la pastille est compris entre 0,4 et 0,6. 2. Pastille selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport H/D est d'environ 0,5. 3. Pastille selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les faces d'extrémités comportent des évidements en forme de calotte sphérique. 4. Pastille selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce que les faces d'extrémité présentent des chanfreins. 5. Pastille selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, contenant 1200 à 2000 ppm de Cr203. 6. Pastille selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'elle contient 1600 j ; 150 ppm de Cr203. 7. Pastille selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'elle comporte de plus jusqu'à 200 ppm de Si02. 8. Pastille selon la revendication 5, comportant de plus jusqu'à 100 ppm de Al203. 9. Pastille selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle est non rectifiée 10. Crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine (12) en alliage à base de zirconium et un empilement de pastilles (10) frittées, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans la gaine, le jeu diamétral initial entre les pastilles et la gaine ne dépassant pas 200 um.