Brevet FR2916297A1 — publié le 20081121

Combustible nucléaire sous forme de pastille, à structure perfectionnée La présente invention concerne un combustible nucléaire destiné à des applications dans des réacteurs nucléaires. Elle traite plus particulièrement d'un combustible en forme de pastille destinée à des crayons combustibles en fagot dans des réacteurs, notamment pour la production d'électricité. 10 A titre d'exemples d'applications, on peut citer : - les réacteurs à eau pressurisée (ou PWR pour Pressurized Water Reactor ), les réacteurs bouillants, ou encore - les réacteurs à neutrons rapides. 15 En référence à la figure 1, dans un réacteur pour une des applications du type précité, des tubes CC (appelés crayons combustibles ) sont assemblés à l'aide notamment de grilles de maintien GR. Dans chaque crayon combustible (figure 2), une pluralité de pastilles combustibles PA sont enfilées dans une gaine GA. Les pastilles combustibles sont par exemple en dioxyde d'uranium UO2, éventuellement dopé. La gaine GA est 20 par exemple réalisée dans un alliage de zirconium. Les pastilles PA sont maintenues dans la gaine par des bouchons supérieur BS et inférieur BI et restent accolées les unes aux autres par la pression d'au moins un ressort RE. En référence à la figure 3 donnée ici à titre d'exemple, chaque pastille PA se présente 25 sensiblement comme un filtre de cigarette. Il s'agit d'un cylindre dont les dimensions sont par exemple d'environ 13 millimètres de hauteur (le long de l'axe z) et d'environ 8 millimètres de diamètre. Selon les applications, la pastille PA peut être creuse ou pleine. Elle peut encore être creuse partiellement seulement et présenter par exemple un évidement. La gaine GA, quant à elle, est d'environ 9 millimètres de diamètre et 30 d'environ 4 mètres de hauteur.5 2 Ainsi, dans un réacteur à eau pressurisée par exemple, le combustible nucléaire se présente sous la forme de pastilles PA empilées dans des gaines GA chargées de maintenir les pastilles et de confiner les produits de fission pour éviter leur dissémination dans l'eau du circuit primaire. Les crayons combustibles ainsi formés sont agencés sous la forme d'un assemblage combustible (par exemple selon un réseau de 17x17 crayons combustibles) dont la tenue mécanique est assurée par les grilles GR, comme illustré sur la figure 1. La gaine GA de chaque crayon combustible constitue la première barrière de protection contre le rejet du produit de fission nucléaire. Cette gaine doit rester intègre pour toutes les situations de fonctionnement normal, ainsi que pour tous les transitoires incidentels dans les réacteurs du type précité. Dès la montée en puissance du réacteur, la réaction de fission produit un dégagement de chaleur dans la pastille. On a représenté sur la figure 4b la distribution de chaleur dans la pastille PA en comparaison de ses dimensions sur la figure 4a (laquelle respecte les proportions habituelles d'une pastille). La distribution de chaleur, en fonctionnement normal et à pleine puissance, est sensiblement parabolique sur le diamètre de la pastille avec une température d'environ 1200 C au centre et une température d'environ 400 C aux bords (-R et +R sur l'axe x de la figure 4b, cet axe x étant orthogonal à l'axe z). L'augmentation de chaleur au centre de la pastille PA entraîne alors une déformation radiale, par dilation thermique, qui est plus importante aux extrémités supérieures et inférieures de la pastille. Ainsi, en référence maintenant à la figure 5, la pastille présente, sous l'effet de la dilatation thermique, une forme de diabolo avec des protubérances radiales PR particulièrement marquées aux extrémités de la pastille. On a représenté sur la figure 5, en traits pointillés, la forme initiale de la pastille (avant l'augmentation de température) et, en trait plein, la forme de la pastille dilatée. On constate en particulier, aux extrémités de la pastille, une augmentation de diamètre Ae qui vient s'ajouter à la dilatation radiale OR , normale, du centre de la pastille. Cette 3 sur-dilatation 0e , plus marquée aux extrémités inférieure et supérieure de la pastille globalement cylindrique, est liée à des effets de bord sur un cylindre de dimensions finies. En référence aux figures 6a, 6b et 6c, illustrant une montée progressive en température des pastilles PA dans leur gaine GA, l'augmentation du diamètre Ae marquée aux extrémités des pastilles génère alors des contraintes CR dans la gaine GA. Cet effet sollicite mécaniquement la gaine et contribue à son affaiblissement, lequel est d'autant plus marqué que la sur-dilatation Ae est importante. Il a été d'ailleurs constaté sur les gaines, après leur utilisation, des vaguelettes sur leur surface radiale avec un espacement entre vaguelettes correspondant à une hauteur de pastille, exactement comme représenté sur la figure 6c. Il convient de noter en outre, sur les figures 6b et 6c, que dès le début de montée en température, des fissures FIS se forment aléatoirement dans les pastilles. En effet, le gradient thermique imposé à la pastille génère de fortes contraintes de traction de la pastille en céramique, ce matériau étant fragile. En référence maintenant à la figure 7, il a été constaté que l'augmentation supplémentaire de diamètre As était liée à l'élancement de la pastille, mesuré typiquement par le rapport h/D de sa hauteur h sur son diamètre D. La figure 7 illustre la variation de l'augmentation supplémentaire de diamètre Ae en fonction du facteur d'élancement h/D. Cette variation présente un unique maximum pour un rapport d'élancement h/D d'une valeur b (qui est par exemple de l'ordre de 0,9 à 1,3). Pour des pastilles de l'état de l'art d'environ 13 millimètres de haut sur environ 8 millimètres de diamètre, le facteur d'élancement h/D est voisin de c=1, 6 (flèche AA pour art antérieur sur la figure 7) et l'augmentation supplémentaire de diamètre aux extrémités de la pastille, As , reste importante, proche du maximum. 4 Une solution pour limiter la sur-dilatation AE serait de prévoir des valeurs du rapport d'élancement h/D inférieures à la valeur b, par exemple voisines d'une valeur a qui pourrait typiquement être inférieure ou de l'ordre de 0,5 (flèche INV pour invention sur la figure 7). Cette réalisation consisterait alors à prévoir par exemple des pastilles d'une hauteur de 3 millimètres environ pour conserver un diamètre de 8 millimètres. De telles pastilles auraient typiquement la forme d'une pile plate de montre. Il se pose alors le problème de l'introduction et de l'empilement des pastilles dans une gaine de 4 mètres, sans que certaines pastilles au moins ne pivotent et ne se mettent de biais dans la gaine. La présente invention vient améliorer la situation. Elle propose à cet effet une pastille comportant un matériau combustible nucléaire, de forme générale allongée le long d'un axe (typiquement l'axe z dans l'exemple représenté sur la figure 3). La pastille selon l'invention comporte alors sur une surface radiale externe au moins une zone de rupture privilégiée pour favoriser une rupture sensiblement dans un plan sécant dudit axe. Cette zone de rupture privilégiée est typiquement un évidement creusé sur la surface externe de la pastille. Il peut s'agir par exemple d'un poinçon, d'une encoche, d'une rainure ou autre, l'essentiel étant que la pastille au sens de l'invention puisse se fissurer, dès la montée en température, dans un plan sécant (par exemple perpendiculaire) à l'axe z de la figure 3. Dans une réalisation avantageuse, la pastille comporte plus d'une zone de rupture privilégiée de manière à obtenir un facteur d'élancement de chaque morceau, après rupture, inférieur ou de l'ordre de 0,5, ce qui permet de diminuer substantiellement le paramètre As de la figure 7, par rapport à l'art antérieur (flèche AA). En particulier, le nombre de zones de rupture privilégiées que comporte la pastille peut être choisi pour favoriser une rupture en plusieurs fragments, chaque fragment ayant alors un rapport de hauteur sur largeur inférieur ou de l'ordre de 0,5. Ainsi, si la pastille présente initialement un rapport de hauteur sur largeur supérieur ou 5 de l'ordre de 1,5, on prévoit avantageusement au moins deux zones de rupture privilégiée, qui peuvent par exemple être agencées sensiblement à un tiers et à deux tiers de la hauteur de la pastille, respectivement. Dans un exemple de réalisation décrit en détail ci-après la pastille comporte trois zones 10 de rupture privilégiée pour un facteur d'élancement voisin de 1,6. D'ailleurs, d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un assemblage de combustible nucléaire à crayons combustibles, 15 - la figure 2 est une vue en coupe d'un crayon combustible, - la figure 3 illustre une pastille nucléaire dans une gaine formant un crayon combustible, - la figure 4a illustre les proportions d'une pastille classique, - la figure 4b illustre une répartition en température dans la pastille, pendant la 20 réaction de fission nucléaire, en fonctionnement normal à pleine puissance, la figure 5 illustre la dilatation que subit une pastille pendant la réaction de fission, en fonctionnement normal à pleine puissance, les figures 6a à 6c illustrent la déformation des pastilles sous l'effet de l'augmentation de la température pendant la réaction de fission nucléaire, 25 entraînant les contraintes CR imposées à la gaine, - la figure 7 illustre une variation d'une augmentation supplémentaire de diamètre Ae aux extrémités inférieure et supérieure de la pastille, en fonction de son facteur d'élancement h/D, - les figures 8a à 8c illustrent différents modes de réalisation d'une zone de rupture 30 privilégiée réalisée dans une pastille au sens de l'invention, 6 - la figure 9a illustre une pastille comportant trois zones de rupture privilégiée, dans un mode de réalisation avantageux, - la figure 9b illutre la pastille de la figure 9a pendant une réaction de fission nucléaire lors de la première montée en témpérature d'une pastille neuve au sens de l'invention, la figure 10a illustre schématiquement une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de formation des zones de rupture privilégiée dans les pastilles au sens de l'invention, et - la figure 10b est une vue en coupe d'un moule de frittage pour la fabrication de pastilles au sens de l'invention et comportant directement en sortie de moule des zones de rupture privilégiée. On a représenté sur la figure 9a une pastille au sens de l'invention comportant un rapport de hauteur sur largeur voisin de 1,6. On prévoit trois zones de rupture privilégiée, agencées sensiblement à un quart Z1, à la moitié Z2 et à trois quarts Z3 de la hauteur h de la pastille PA, respectivement. Ainsi, lors d'une première montée en puissance, la pastille se fissure au moins en quatre morceaux PA1, PA2, PA3 et PA4, comme illustré sur la figure 9b, chaque morceau ayant un facteur d'élancement voisin de 0,4. En référence à la figure 7, avec ce facteur d'élancement de 0,4, l'augmentation supplémentaire de diamètre De' de chaque morceau PA1, PA2, PA3 ou PA4 est substantiellement inférieure à celle Ae d'une pastille entière ayant un facteur d'allongement de 1,6. Par conséquent, en référence à nouveau à la figure 9b, avec la faible valeur As' atteinte pour l'ensemble des morceaux PA1 à PA4 formant la pastille, les contraintes 25 imposées à la gaine GA sont notablement réduites. En référence à la figure 7, une solution qui semblait aussi avantageuse à l'homme du métier pour limiter la sur-dilatation Ae était de choisir des valeurs de rapport d'élancement h/D supérieures à la valeur de maximum b (ce qui revient donc, à 30 diamètre constant, à augmenter la hauteur des pastilles). En effet, la sur-dilatation Ae 7 diminue à nouveau pour des rapports d'élancement supérieurs à la valeur b. Or, les fissures qui se créent dans la pastille peuvent typiquement engendrer des fragments dont le rapport d'élancement serait proche de la valeur b, ce qui ne résout pas le problème posé par la sur-dilatation Ae . En outre, on rappelle, pour indiquer des dimensions absolues d'une pastille avant rupture, que sa hauteur est supérieure ou de l'ordre d'un centimètre, par exemple 13 millimètres de hauteur pour 8 millimètres de diamètre, pour se conformer aux dimensions classiques des pastilles de l'état de l'art. Ainsi, le procédé visant à empiler l0 les pastilles dans la gaine GA reste inchangé et, de manière plus générale, sans modifier globalement la forme et les dimensions des pastilles, on diminue avantageusement leur sur-dilatation Ae et, de là, les contraintes que subit la gaine GA. En référence à la figure 8a, une zone de rupture privilégiée formée dans une pastille au 15 sens de l'invention peut avoir la forme d'une encoche ENC réalisée comme une indentation sur la surface radiale de la pastille et qui s'étend au moins sur un arc de cercle de cette surface. Dans la réalisation illustrée sur les figures 8b et 8c, l'encoche peut se prolonger sur un 20 cercle complet inscrit dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe z de la hauteur de la pastille, pour former une rainure R1 ou R2 de profondeur sensiblement constante. Dans la réalisation de la figure 8b, la rainure est en forme de U, tandis que dans la réalisation de la figure 8c, la rainure est en forme de V. Le mode de réalisation de la 25 figure 8c peut être préféré pour provoquer très rapidement la rupture de la pastille, dès le début de sa montée en température. Dans ce cas, si la pastille est gravée par usinage pour former les rainures R2, on choisira un biseau en pointe. Plus généralement, la forme et/ou la profondeur de la rainure RI ou R2 peuvent être choisies pour provoquer plus ou moins rapidement la rupture de la pastille. Néanmoins, plus les rainures 30 usinées sont profondes et plus la quantité de matière nucléaire prélevée des pastilles est importante, ce qui pose un problème de matières nucléaires à recycler. 8 On a illustré sur la figure l0a un exemple de procédé d'usinage que vise aussi la présente invention dans lequel on grave au moins une zone de rupture privilégiée Z2 dans la pastille PA, en prévoyant en particulier une récupération des rebuts de gravure. Dans cette réalisation, la pastille PA est mise en rotation, tandis qu'un biseau en pointe BIS est appliqué contre la surface radiale externe de la pastille. Avantageusement, le biseau BIS est fixé sur un support SU et une buse aspirante BA est fixée sur le même support BU pour récupérer par aspiration directe les rebuts d'usinage générés par la gravure. Cette matière nucléaire, ainsi récupérée, peut être recyclée pour fabriquer d'autres pastilles par exemple. Une variante de ce mode de formation de zones de rupture privilégiée dans la pastille peut consister à fabriquer directement, par moulage, la pastille PA dans une céramique comportant un matériau combustible nucléaire, et en prévoyant en particulier un moule MO comportant au moins une nervure NE formant saillie sur une paroi interne du moule, comme illustré sur la figure 10b. Chaque nervure NE du moule cylindrique MO applique une indentation dans la pastille en cours de fabrication par frittage en formant alors une rainure circulaire du type illustré par exemple sur la figure 8c. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci-avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes. Ainsi, on a représenté par exemple sur les dessins des pastilles pleines. L'invention s'applique toutefois à tout type de pastille, notamment à des pastilles creuses. Pour la réalisation des zones de rupture privilégiée sur de telles pastilles creuses, on prévoit de former toujours (par usinage ou par moulage comme décrit précédemment) ces zones sur leur surface radiale externe, en pratique. Par ailleurs, on a décrit ci-avant des pastilles de forme générale cylindrique. En 30 variante, il peut être prévu des formes différentes, par exemple oblongues, parallélépipédiques ou autres. Comme décrit ci-avant, les rainures sont préférentiellement formées sur tout un cercle de la surface externe d'une pastille et sont inscrites chacune dans un plan perpendiculaire à l'axe z de la hauteur de la pastille. En principe, lorsque la pastille se rompt, la rupture s'inscrit aussi dans le même plan perpendiculaire à l'axe z et, si la pastille comporte N rainures, elle se rompt en N+l morceaux. Toutefois, il peut advenir accidentellement qu'elle puisse se rompre en plus de N+1 morceaux et/ou que la rupture ne soit pas dans un plan parfaitement perpendiculaire à l'axe z mais simplement dans un plan sécant à cet axe. lo Revendications 1. Pastille comportant un matériau combustible nucléaire, de forme générale allongée le long d'un axe (z), caractérisée en ce qu'elle comporte sur une surface radiale externe 5 au moins une zone de rupture privilégiée pour favoriser une rupture sensiblement dans un plan sécant dudit axe (z). 2. Pastille selon la revendication 1, de forme sensiblement cylindrique et de base sensiblement circulaire, caractérisée en ce que la zone de rupture privilégiée comporte 10 une encoche (ENC) s'étendant au moins sur un arc de cercle. 3. Pastille selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'encoche forme une rainure (R1, R2) de profondeur sensiblement constante. 15 4. Pastille selon la revendication 3, caractérisée en ce que la rainure (RI, R2) s'étend sur un cercle complet inscrit dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe (z). 5. Pastille selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un nombre choisi de zones de rupture privilégiées pour favoriser une rupture 20 en une pluralité de fragments, chaque fragment ayant un rapport de hauteur sur largeur inférieur ou de l'ordre de 0,5. 6. Pastille selon la revendication 5, comportant un rapport de hauteur (h) sur largeur (D) supérieur ou de l'ordre de 1,5, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux 25 zones de rupture privilégiée (Z1, Z2, Z3). 7. Pastille selon la revendication 6, comportant un rapport de hauteur (h) sur largeur (D) voisin de 1,6, caractérisée en ce qu'elle comporte trois zones de rupture privilégiée (Z1, Z2, Z3), agencées sensiblement à un quart, à la moitié et à trois quarts de la 30 hauteur de la pastille, respectivement. >> 8. Pastille selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que la hauteur (h) de la pastille (PA) est supérieure ou de l'ordre d'un centimètre. 9. Procédé de fabrication, par frittage, d'une pastille selon l'une des revendications précédentes, dans une céramique comportant un matériau combustible nucléaire, caractérisé en ce que l'on prévoit un moule (MO) comportant au moins une nervure (NE) formant saillie sur une paroi interne du moule. 10. Procédé de fabrication, par usinage, d'une pastille selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel on grave au moins une zone de rupture privilégiée dans la pastille, caractérisé en ce que l'on prévoit une récupération (BA) des rebuts de gravure pour recyclage.