Brevet FR2830974A1 — publié le 20030418

COMBUSTIBLE POUR REACTEUR NUCLEAIRE A FISSION DESCRIPTION L'invention concerne un combustible pour réacteur nucléaire à fission. L'invention a trait également à un réacteur nucléaire à fission comprenant ledit combustible. Le domaine technique de l'invention peut être défini, de manière générale, comme celui du combustible pour les réacteurs nucléaires à fission et des modérateurs associés. Un réacteur nucléaire est essentiellement constitué par une masse de combustible, répartie dans un modérateur, et parcourue par un réseau de refroidissement. On sait que dans les réacteurs nucléaires à fission, les principaux modérateurs envisageables sont au nombre de quatre, à savoir : - l'eau légère (Hz) ; - l'eau lourde (D20 ou DTO) ; - le graphite (C) ; - le béryllium (Be). Parmi ces quatre substances, seul le graphite est susceptible d'être utilisé dans un réacteur nucléaire fonctionnant à haute température. Mais le graphite, du fait de ses longueurs de diffusion et de ralentissement élevées, conduit nécessairement à un réacteur de grande dimension. Outre, les modérateurs, mentionnés ci-dessus, il a aussi été envisagé d'utiliser des hydrures métalliques, et notamment l'hydrure de zirconium (ZrH), qui met à profit le fait que le zirconium n'est pratiquement pas capturant. L'hydrure de zirconium est cependant un matériau de densité assez élevée, ce qui limite son intérêt. En particulier, pour obtenir une proportion suffisante de modérateur, c'est-à-dire d'hydrogène, il faut installer dans le réacteur un nombre égal d'atomes de zirconium, ce qui est pénalisant en ce qui concerne la masse et l'encombrement du système et conduit, à l'instar du graphite, à des réacteurs de grandes dimensions. Or, il existe des applications, telles que les applications pour la propulsion navale ou les applications spatiales, où la réduction de la taille, de l'envergure du réacteur est primordiale. Il existe donc un besoin pour un combustible, mais aussi pour un modérateur pour un réacteur nucléaire à fission qui puisse être utilisé dans les réacteurs fonctionnant à haute température et qui permettent notamment d'obtenir des réacteurs de dimensions réduites. Le but de la présente invention est de fournir un combustible mais aussi un modérateur nucléaires qui réponde, entre autre, à ce besoin. Le but de la présente invention est encore de fournir un combustible mais aussi un modérateur nucléaires qui ne présente pas les inconvénients, défauts, limitations et désavantages des combustibles de l'art antérieur et qui résolve les problèmes de l'art antérieur. Ce but et d'autres encore sont atteints, conformément à l'invention par un combustible nucléaire pour réacteur nucléaire à fission, est choisi parmi les alliages du béryllium avec le plutonium et/ou l'uranium. Des combustibles nucléaires constitués d'alliages de béryllium avec le plutonium et/ou l'uranium n'ont jamais été décrits, ni suggérés jusqu'à présent. La mise en oeuvre du béryllium, en tant que modérateur réflecteur ou matériau de gainage, a certes été déjà proposée, mais il n'en est rien de son incorporation dans des alliages de combustible nucléaire à base de plutonium et/ou d'uranium. Le combustible nucléaire selon l'invention se distingue, en effet, fondamentalement des combustibles de l'art antérieur, en ce sens que le modérateur, à savoir le béryllium, au lieu d'être séparé, indépendant du combustible, est incorporé dans celui-ci pour former un alliage. Le modérateur fait donc partie intégrante du combustible nucléaire auquel il est intimement associé. En d'autres termes, le modérateur, constitué par le béryllium, se trouve, selon l'invention, lié physiquement au combustible nucléaire, proprement dit. Les proportions relatives de béryllium et de plutonium et/ou de béryllium dans le combustible selon l'invention sont variables car les proportions relatives de ces différents constituants dépendent de l'optimisation du dessin du réacteur. Toutefois, les proportions choisies sont généralement les suivantes : - pour un atome d'uranium et/ou de plutonium, le nombre d'atomes de béryllium est de 1 à 20 ; ou en d'autres termes : - la masse de l'uranium et/ou du plutonium est de 50 à 96 % de la masse totale de l'alliage. Les alliages qui constituent le combustible selon l'invention sont, en particulier dans les proportions préférées indiquées ci-dessus, des alliages réfractaires et bons conducteurs de la chaleur et associent à ces propriétés les excellentes qualités de modérateur des neutrons montrées par le béryllium. Les températures de fission des alliages uranium-béryllium, plutonium-béryllium ou encore plutonium-uranium-béryllium sont supérieures à la température de fission du béryllium lui-même et de l'uranium ou du plutonium. En outre, le rapport de modération atomique optimal peut être très facilement obtenu avec les alliages constituant le combustible selon l'invention, car la proportion relative de béryllium peut être librement adaptée dans une plage importante, pouvant aller jusqu'à un facteur 20. Les propriétés avantageuses des alliages constituent le combustible selon l'invention, incorporant un modérateur, sont particulièrement intéressantes pour une mise en oeuvre dans tout type de réacteur nucléaire. En particulier, grâce aux alliages spécifiques constituant le combustible selon l'invention et incorporant le béryllium en tant que modérateur, ce dernier peut être mis en oeuvre à haute température, ce qui permet, par voie de conséquence, de réaliser un réacteur nucléaire fonctionnant à haute température. L'augmentation de la température de fonctionnement des réacteurs nucléaires est extrêmement intéressante, en ce que cette augmentation procure entre autres : un gain en rendement de cycle ; - une limitation de la charge thermique de la source froide ; - une diminution des dimensions du coeur du réacteur, autrement dit, une réduction de la masse et de l'envergure du réacteur. On tire particulièrement profit du dernier point dans le cas des réacteurs à haute température utilisés dans les applications dans lesquelles la réduction de l'envergure, de la taille du réacteur est importante, à savoir, par exemple, les applications de propulsion navale et les applications spatiales. Le combustible nucléaire selon l'invention, constitué d'un alliage métallique plutonium-béryllium, uranium-bérylliuim ou uranium-plutonium-béryllium, permet, par ailleurs, d'augmenter la quantité relative de plutonium dans le combustible, utilisé dans les réacteurs à eau sous pression, par exemple de type PWR ( Pressurized Water Reactor)), en anglais), ou BWR ( En effet, la quantité relative de plutonium dans le combustible des réacteurs à eau sous pression, utilisant du combustible mixte uranium-plutonium, est limitée, du fait d'un effet en réactivité positif en neutrons rapide, en cas de vidange de l'eau présente dans le coeur. Dans les alliages uranium, plutonium-béryllium ou plutonium-uranium-béryllium formant le combustible selon l'invention, le modérateur, c'est-à-dire le béryllium, se trouve lié physiquement au combustible nucléaire proprement dit. De ce fait, en cas de vidange de l'eau présente dans le coeur, les neutrons se trouvant au voisinage du plutonium sont modérés et la reprise de la réactivité en neutrons rapide est limitée, ce qui autorise ainsi la mise en oeuvre d'une plus grande quantité relative de plutonium dans le coeur. Le combustible nucléaire se présente généralement sous la forme d'éléments comprenant le combustible, tel qu'il a été défini plus haut, la forme, le dessin de ces éléments de base du combustible pouvant varier. Par exemple, le combustible nucléaire, à savoir les éléments formant ce combustible nucléaire pourront se présenter sous la forme de crayons, aiguilles, plaques, billes, ou particules, celles-ci formant, de préférence, un lit. L'invention concerne également un réacteur nucléaire comprenant le combustible nucléaire, tel que décrit plus haut. Ce combustible nucléaire se présente avantageusement sous la forme des éléments mentionnés ci-dessus. Le combustible nucléaire selon l'invention peut être utilisé avec profit dans tout type de réacteur nucléaire à fission, en effet, la matière spécifique du combustible nucléaire selon l'invention entraîne lors de leur mise en oeuvre dans un réacteur, quel qu'il soit, toute une série d'effets bénéfiques, d'avantages qui sont la conséquence directe des propriétés intrinsèques avantageuses du combustible selon l'invention. Le réacteur nucléaire selon l'invention peut ne comprendre que le combustible selon l'invention, tel qu'il a été décrit plus haut, mais il peut aussi comprendre, en outre, au moins un autre combustible nucléaire. Ce dernier combustible étant un combustible connu, classique, tel que l'oxyde d'uranium ou l'oxyde de plutonium. De façon similaire aux autres types de combustibles nucléaires, les alliages uranium-béryllium, plutonium-béryllium ou uranium-plutonium-béryllium sont installés dans le réacteur, en étant placés à l'intérieur d'un matériau formant gainage destiné : d'une part, à prévenir les éventuelles réactions chimiques ou autre entre le fluide utilisé comme caloporteur de réfrigération du coeur et le combustible proprement dit ; - d'autre part, à prévenir la migration des produits de fission et autres substances contenues dans le combustible vers le fluide réfrigérant. Les matériaux de gainage utilisables sont les mêmes que ceux actuellement utilisés dans les différents types de réacteurs nucléaires existants, à savoir ce matériau peut être choisi, par exemple, parmi : l'acier inoxydable le zirconium ; les revêtements à base de composés au carbone, par exemple le carbure de silicium ou le carbone pyrolytique. Le combustible à alliage de béryllium selon l'invention peut être utilisé dans tous les types de réacteurs nucléaires quelque soit la nature du fluide utilisé comme caloporteur réfrigérant le coeur, ce fluide peut ê-f. fluide peut être choisi, par exemple, parmi : l'eau légère ; l'eau lourde ; les fluides organiques ; les gaz, tels que le CO2, l'hélium ou l'hydrogène ; les métaux liquides, tels que le lithium, le gallium, le sodium, le potassium. Le réacteur peut être, par exemple, un réacteur, dit à haute température, ou un réacteur à eau sous pression de type PWR, (ou BWR). L'utilisation du combustible selon l'invention amène chaque fois des avantages importants par rapport aux réacteurs analogues qui mettent en oeuvre un combustible classique. Par exemple, le combustible selon l'invention permet de réaliser un réacteur nucléaire modéré capable de fonctionner à haute température dont les dimensions sont très inférieures aux actuels réacteurs de type HTR ( High Température Reactor , en anglais). De même, le combustible selon l'invention permet d'augmenter la quantité relative de plutonium présente dans le combustible des réacteurs du type à eau sous pression et ainsi d'accélérer le rythme d'incinération du plutonium et d'améliorer le cycle des combustibles nucléaires. REVENDICATIONS 1. Combustible nucléaire pour réacteur nucléaire à fission choisi parmi les alliages du béryllium avec le plutonium et/ou l'uranium. 2. Combustible selon la revendication 1, dans lequel le nombre d'atomes de béryllium est de 1 à 20 pour un atome d'uranium et/ou de plutonium. 3. Combustible selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la masse de l'uranium et/ou du plutonium est de 50 à 96 % de la masse totale de l'alliage. 4. Combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, qui se présente sous la forme de crayons, aiguilles, plaques, billes ou particules. 5. Réacteur nucléaire comprenant le combustible nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Réacteur selon la revendication 5, comprenant, en outre, au moins un autre combustible nucléaire. 7. Réacteur selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans lequel le combustible est placé dans un matériau de gainage choisi parmi l'acier inoxydable, le zirconium, et les composés au carbone. 8. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le coeur du réacteur est refroidi par un fluide caloporteur choisi parmi l'eau légère, l'eau lourde, les fluides organiques, les gaz tels que le C02, l'hélium, et l'hydrogène, et les métaux liquides, tels que le lithium, le gallium, le sodium et le potassium. 9. Réacteur selon la revendication 5, qui est un réacteur du type à haute température HTR. 10. Réacteur selon la revendication 5, qui est un réacteur du type à eau sous pression, tel qu'un réacteur PWR, ou BWR.