Brevet FR2938690A1 — publié le 20100521

PROCEDE ET COMPOSITION DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE MODERE Contexte de l'invention Ce fascicule de brevet concerne une composition de combustible nucléaire modéré pour conférer un coefficient de réactivité négatif instantané souhaité. Les combustibles nucléaires utilisés dans les réacteurs rapides tels que les surrégénérateurs, les brûleurs d'actinides ou les réacteurs de puissance, présentent typiquement des coefficients de réactivité instantanés négatifs relativement faibles ou négligeables. Une raison de cela est un manque d'élargissement Doppler dans ces carburants. Par exemple, les énergies neutroniques dans un combustible nucléaire typique d'un réacteur rapide sont bien supérieures aux plages de résonances de noyaux où se produit un élargissement Doppler. Les énergies neutroniques peuvent être de plusieurs centaines de keV, et l'élargissement Doppler peut se produire principalement au-dessous de 25 keV. Il en résulte que le coefficient instantané de réactivité du combustible nucléaire est faible ou négligeable. De plus, un vide dans le caloporteur environnant élimine l'absorption de neutrons parasites et engendre un coefficient de vide de caloporteur positif, ce qui est généralement une condition indésirable. Résumé de l'invention Un exemple de composition de combustible nucléaire comprend un combustible trans-uranique et un modérateur de neutrons mélangé avec le combustible trans-uranique. Le modérateur de neutrons contient au moins l'un parmi le hafnium et le zirconium. Selon un autre aspect, un exemple de composition de combustible nucléaire comprend 8 à 45 % en poids de combustible trans-uranique, le reste étant constitué du modérateur à neutrons. Le combustible trans-uranique est choisi parmi l'uranium, le plutonium, l'américium, le neptunium, le curium et leurs combinaisons, et le modérateur de neutrons contient de l'hydrure de hafnium et de l'hydrure de zirconium. Un exemple de procédé pour modérer un combustible nucléaire comprend le mélange d'un combustible trans-uranique avec un modérateur de neutrons qui contient du hafnium, de façon à offrir ainsi une composition de combustible nucléaire où l'hydrogène dans Dans quelques exemples, la quantité du diluant de modérateur de neutrons peut être une quantité quelconque allant de fractions d'un pour-cent en poids du combustible nucléaire 20 jusqu'à des pourcentages en poids plusieurs fois supérieurs à la quantité d'hydrure de hafnium et/ou d'hydrure de zirconium dans le modérateur de neutrons 26, en fonction du degré souhaité de dilution de l'hydrure de hafnium et/ou de l'hydrure de zirconium. Le combustible trans-uranique 24, l'hafnium, le zirconium, et éventuellement le diluant de modérateur de neutrons du combustible nucléaire 20 peuvent être combinés au moyen de n'importe quelle technique convenable. Par exemple, des techniques de mélange connues pour former des combustibles nucléaires conventionnels qui contiennent un métal ou un oxyde métallique mélangé avec du zirconium peuvent être appliquées pour former l'exemple de combustible nucléaire 20. A ce propos, le combustible nucléaire 20 peut être un mélange de poudres du combustible trans-uranique 24 et du modérateur de neutrons 26, lesquelles sont ensuite frittées en une forme souhaitée, telle qu'une barre ou une pastille. Après combinaison, le combustible trans-uranique 24, le hafnium et/ou le zirconium du modérateur de neutrons 26 peuvent être hydrurés dans un procédé d'hydruration (par exemple soit avant soit après frittage). Par exemple, le combustible nucléaire 20 peut être exposé à de l'hydrogène gazeux à une température élevée pendant une période de temps prédéterminée (c'est-à-dire les paramètres d'hydruration) pour que de l'hydrogène soit incorporé dans le combustible nucléaire 20. Les paramètres d'hydruration déterminent au moins partiellement la concentration d'hydrogène dans le combustible nucléaire 20, telle qu'un rapport de l'hydrogène au hafnium ou au zirconium de 1,6 à 1,7. A ce propos, des paramètres d'hydruration qui sont connus pour l'hydrure de zirconium peuvent être utilisés pour la production de l'hydrure de hafnium. Bien qu'une combinaison de caractéristiques soit indiquée dans les exemples illustrés, il n'est pas nécessaire de combiner la totalité de celles-ci pour obtenir les avantages des divers modes de réalisation de cette description. En d'autres termes, un système conçu conformément à un mode de réalisation de cette description ne va pas nécessairement englober toutes les caractéristiques indiquées dans l'une quelconque des figures ou la totalité des parties schématiquement représentées sur les figures. De plus, des caractéristiques sélectionnées d'un exemple de mode de réalisation peuvent être combinées avec des caractéristiques sélectionnées d'autres exemples de modes de réalisation. La description qui précède a une nature d'exemple plutôt que de limitation. Des variations et modifications aux exemples décrits peuvent devenir évidentes à l'homme du métier sans s'écarter nécessairement de l'essence de cette description. Le cadre de protection légale conféré à cette description ne peut être déterminé que par l'étude des revendications qui suivent. l'hydrure de hafnium modère les neutrons du combustible transuranique. Brève description des dessins Les divers avantages et caractéristiques des exemples décrits apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier à partir de la description détaillée qui suit. Les dessins qui accompagnent la description détaillée peuvent être brièvement décrits comme suit. La figure 1 illustre schématiquement un exemple de système de réacteur nucléaire ayant un combustible nucléaire qui contient un combustible trans-uranique et un modérateur de neutrons. La figure 2 est une coupe transversale montrant un mélange du combustible trans-uranique et du modérateur de neutrons du combustible nucléaire. Description préférée du mode de réalisation préféré La figure 1 illustre schématiquement des parties sélectionnées d'un exemple de système de réacteur nucléaire 10 pour la production d'énergie. Toutefois, on doit comprendre que cette description n'est pas limitée à l'agencement de l'exemple de système de réacteur nucléaire 10 pour la production d'énergie, et les concepts décrits ici peuvent être appliqués à d'autres systèmes de réacteurs qui peuvent être utilisés à d'autres fins. Dans l'exemple illustré, le système de réacteur nucléaire 10 comprend un récipient de réacteur 12 qui est immergé dans un caloporteur 14 (par exemple de l'eau, un métal liquide, etc.) contenu à l'intérieur d'un récipient de confinement 16. Le récipient de réacteur 12 comprend un coeur 18 contenant du combustible nucléaire 20 qui est utilisé pour chauffer le caloporteur 14 d'une manière connue. Par exemple, le caloporteur 14 circule dans le récipient de réacteur 12, comme l'indiquent les flèches d'écoulement, vers un échangeur de chaleur 22 qui transfère la chaleur du caloporteur 14 à un autre fluide de travail, tel que l'eau. Un tel agencement peut être utilisé pour produire de la vapeur pour la production d'énergie en aval. Dans l'exemple illustré, le combustible nucléaire 20 contient une composition pour conférer un coefficient de réactivité instantané négatif fort et une réduction ou une élimination d'un coefficient de vide de caloporteur positif du caloporteur 14. Comme le montre une coupe transversale schématique du combustible nucléaire 20 sur la figure 2, le combustible nucléaire 20 contient un combustible trans-uranique 24 et un modérateur de neutrons 26 mélangé avec le combustible transuranique. Par exemple, le combustible trans-uranique 24 est dispersé dans une matrice du modérateur de neutrons 26. Le combustible transuranique peut être choisi parmi l'uranium, le plutonium, l'américium, le neptunium, le curium et leurs combinaisons. Le modérateur de neutrons 26 contient du hafnium, du zirconium ou une de leurs combinaisons, qui réduit la vitesse des neutrons rapides/haute énergie à l'intérieur du coeur 18 par l'intermédiaire de collisions subatomiques. Le hafnium et le zirconium ont une faible résonance d'énergie neutronique par rapport aux plusieurs centaines de keV des neutrons du combustible trans-uranique 24. Ainsi, la faible résonance du hafnium et/ou du zirconium dans le modérateur de neutrons 26 réduit le spectre d'énergie neutronique du combustible nucléaire 20. Le hafnium et/ou le zirconium du combustible nucléaire 20 peuvent être sous la forme d'hydrures, tels que l'hydrure de hafnium ou l'hydrure de zirconium (par exemple HfHx ou ZrHx, où x est le rapport atomique de l'hydrogène par rapport au métal lourd Hf et/ou Zr). L'hydrogène de l'hydrure effectue une modération des neutrons en diminuant la vitesse des neutrons rapides à l'intérieur du coeur 18. L'hydrogène est un modérateur efficace parce que l'hydrogène peut réduire la vitesse d'un neutron en une seule collision subatomique. Ainsi, l'addition du hafnium et/ou du zirconium avec l'hydrogène dans le combustible nucléaire 20 réduit le spectre d'énergie neutronique du combustible nucléaire 20, de plusieurs centaines de keV à une plage qui chevauche au moins partiellement une plage d'élargissement Doppler inférieure à environ 25 keV. En résultat de l'élargissement Doppler, le combustible nucléaire 20 présente un fort coefficient instantané négatif de réactivité. Dans un exemple, le phénomène d'élargissement Doppler est provoqué par un élargissement apparent des résonances d'énergie du hafnium du fait du mouvement thermique des noyaux. A savoir, les noyaux immobiles absorbent uniquement les neutrons ayant certaines énergies de résonance, tandis que si le noyau s'éloigne du neutron ou se rapproche du neutron, la vitesse apparente du neutron avec des vitesses supérieures ou inférieures à l'énergie d'absorption originale va maintenant subir une absorption de résonance. Par réduction de la vitesse des neutrons au moyen du modérateur de neutrons 26, des neutrons en un nombre suffisant vont avoir des énergies qui vont chevaucher la résonance élargie Doppler conférant ainsi un coefficient instantané négatif de réactivité au combustible nucléaire 20. Le coefficient instantané négatif de réactivité du combustible nucléaire 20 peut aussi limiter ou éliminer un coefficient de vide de caloporteur positif. Par exemple, une modération du combustible nucléaire 20 utilisant le modérateur de neutrons 26 peut augmenter le coefficient instantané négatif de réactivité suffisamment pour compenser le coefficient de vide de caloporteur positif. Dans un autre exemple, le modérateur de neutrons 26 peut contenir de l'hydrure de zirconium et de l'hydrure de hafnium. D'une façon similaire au hafnium, le zirconium a une faible résonance d'énergie neutronique par rapport aux plusieurs centaines de keV des neutrons du combustible trans-uranique 24 et, par conséquent, réduit le spectre d'énergie neutronique du combustible nucléaire 20. Toutefois, on pense que le hafnium a une efficacité différente de celle du zirconium en ce qui concerne l'obtention d'un coefficient négatif instantané de réactivité. Ainsi, le rapport du hafnium au zirconium peut être contrôlé dans la composition du combustible nucléaire 20 pour que soit établi un coefficient instantané négatif de réactivité souhaité. Par exemple, le poids total combiné de l'hydrure de hafnium et de l'hydrure de zirconium peut comprendre 1 % en poids d'hydrure de hafnium et, pour le reste, l'hydrure de zirconium, ou autant qu'environ 99 % en poids de l'hydrure de hafnium et 1 % en poids de l'hydrure de zirconium. Dans d'autres exemples, le rapport de l'hydrure de hafnium à l'hydrure de zirconium peut être de 75/25, 50/50, 25/75, ou un autre rapport souhaité, en fonction de la quantité souhaitée de coefficient de température négatif instantané de réactivité. Le modérateur de neutrons 26 peut de plus contenir un diluant de modérateur de neutrons utilisé pour réduire la quantité du modérateur de neutrons 26. Le diluant de modérateur de neutrons peut être utilisé pour contrôler davantage la réactivité du combustible nucléaire 20 en diluant l'efficacité de modération du modérateur de neutrons 26. Dans quelques exemples, le diluant de modérateur de neutrons est choisi parmi le fer, le tungstène, le rhénium ou leurs mélanges. La quantité de diluant de modérateur de neutrons peut varier en fonction de la réactivité souhaitée du combustible nucléaire 20. REVENDICATIONS1. Composition de combustible nucléaire comprenant : un combustible trans-uranique ; et un modérateur de neutrons mélangé avec le combustible transuranique, le modérateur de neutrons contenant au moins l'un parmi le hafnium et le zirconium. 2. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 1, contenant 8 à 45 % en poids du combustible trans- uranique et, pour le reste, le modérateur de neutrons. 3. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle le modérateur de neutrons contient de l'hydrure de hafnium. 4. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 3, dans laquelle le rapport de l'hydrogène au hafnium dans l'hydrure de hafnium est de 1,6 à 1,7. 5. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle le modérateur de neutrons contient de l'hydrure de zirconium. 25 6. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 5, dans laquelle le rapport de l'hydrogène au zirconium dans l'hydrure de zirconium est de 1,6 à 1,7. 7. Composition de combustible nucléaire selon la 30 revendication 1, dans laquelle le modérateur de neutrons contient du hafnium et du zirconium. 8. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 1, comprenant en outre un diluant de modérateur de 35 neutrons mélangé avec le combustible trans-uranique et le modérateur de neutrons.20 9. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 8, dans laquelle le diluant de modérateur de neutrons est choisi dans le groupe constitué par le fer, le tungstène, le rhénium et leurs combinaisons. 10. Composition de combustible nucléaire comprenant : 8 à 45 % en poids d'un combustible trans-uranique choisi dans le groupe constitué par l'uranium, le plutonium, l'américium, le neptunium, le curium et leurs combinaisons ; et pour le reste, un modérateur de neutrons mélangé avec le combustible trans-uranique, le modérateur de neutrons contenant au moins l'un parmi l'hydrure de hafnium et l'hydrure de zirconium. 11. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 10, dans laquelle le modérateur de neutrons contient de l'hydrure de hafnium, et le rapport de l'hydrogène au hafnium dans l'hydrure de hafnium est de 1,6 à 1, 7. 12. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 10, dans lequel le modérateur de neutrons contient de l'hydrure de zirconium, et le rapport de l'hydrogène au zirconium dans l'hydrure de zirconium est de 1,6 à 1,7. 13. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 10, comprenant en outre un diluant de modérateur de neutrons mélangé avec le combustible trans-uranique et le modérateur de neutrons. 14. Composition de combustible nucléaire selon la revendication 13, dans laquelle le diluant de modérateur de neutrons est choisi dans le groupe constitué par le fer, le tungstène, le rhénium et leurs combinaisons. 15. Procédé pour modérer un combustible nucléaire, comprenant la combinaison d'un combustible trans-uranique avec un modérateur de neutrons qui contient au moins l'un parmi le hafnium et le zirconium de façon à former ainsi une composition de combustiblenucléaire dans laquelle le hafnium ou le zirconium influence la modération de neutrons du combustible trans-uranique. 16. Procédé selon la revendication 15, comprenant en outre l'hydruration de la composition de combustible nucléaire de façon à former ainsi de l'hydrure de hafnium. 17. Procédé selon la revendication 16, comprenant l'établissement d'un rapport de l'hydrogène au hafnium dans l'hydrure de hafnium de 1,6 à 1, 7. 18. Procédé selon la revendication 15, comprenant en outre l'hydruration de la composition de combustible nucléaire de façon à former ainsi de l'hydrure de zirconium. 19. Procédé selon la revendication 18, comprenant l'établissement d'un rapport de l'hydrogène au zirconium dans l'hydrure de zirconium de 1,6 à 1, 7. 20 20. Procédé selon la revendication 15, comprenant en outre le mélange d'un diluant de modérateur de neutrons choisi dans le groupe constitué par le fer, le tungstène, le rhénium et leurs combinaisons avec le combustible trans-uranique.15