Brevet FR3154848A1 — publié le 20250502

Élément combustible (1), destiné à être disposé dans un réacteur nucléaire, l’élément combustible comportant un matériau combustible (2), comportant de la matière fissile ou fertile; l’élément combustible étant caractérisé en ce qu’il comporte une structure poreuse (4), dite plénum, dont la porosité est supérieure à 50%, comportant un matériau de structure délimitant un volume libre, le plénum étant configuré pour collecter des gaz générés par des réactions de fission au sein du matériau combustible. Figure 1A Élément combustible de type plaque comportant un plénum pour le recueil de gaz Le domaine technique de l’invention concerne des éléments combustibles destinés à être disposés dans un réacteur nucléaire. Par élément combustible nucléaire, on entend le plus petit constituant d’un cœur de réacteur nucléaire ayant une structure propre et contenant du combustible nucléaire. ART ANTERIEUR Les éléments combustibles nucléaires prennent généralement la forme de plaques ou de crayons cylindriques, leur géométrie étant dépendante de leur finalité. Les éléments combustibles destinés à des réacteurs de production d’électricité, de type réacteurs à eau pressurisée, prennent la forme de pastilles empilées les unes sur les autres, formant des assemblages en forme de crayons. Dans certains réacteurs expérimentaux, l’élément combustible prend la forme d’une plaque, par exemple une plaque plane ou cintrée. Le matériau combustible, quel que soit le type de réacteur, est soumis à un flux de neutrons et à des températures élevées. Une exposition à une température importante s’accompagne d’un relâchement de gaz de fission. Le volume libre, à l’intérieur d’un élément combustible de type plaque, est de l’ordre de quelques pourcents du volume total de l’élément combustible. Par volume libre, on entend un volume susceptible d’être occupé par un gaz dans l’élément combustible. Sous l’effet du relâchement des gaz de fission, ces derniers s’accumulent dans le volume libre. Au fur et à mesure du relâchement, la pression interne augmente, pouvant induire un gonflement voire une perte d’étanchéité de l’élément combustible. Une pression interne excessive peut entraîner une fissuration de la gaine recouvrant le matériau combustible et constituant la première barrière de sûreté. Diminuer la pression interne permet d’augmenter le taux de combustion, tout en garantissant la sûreté du réacteur. Dans les crayons ou les aiguilles de combustibles, un ou plusieurs plenum sont ajoutés, généralement au niveau des extrémités, de façon à recueillir les gaz de fission. Dans les combustibles de type plaque, la porosité du combustible est ajustée, de façon à accommoder le relâchement des gaz de fissions, mais cela dégrade les performances du combustible, en particulier la conductivité thermique. Or, une diminution de la conductivité thermique peut accentuer la formation de gradients thermiques dans l’élément combustible. Une telle solution n’est donc pas pleinement satisfaisante. L’invention décrite par la suite permet d’obtenir un élément combustible dont la pression interne reste maîtrisée, en particulier sous fort taux de combustion ou à température élevée, sans avoir à ajuster directement la porosité du combustible. Un objet de l’invention est un élément combustible, en forme de plaque, destiné à être disposé dans un réacteur nucléaire, l’élément combustible comportant un matériau combustible, comportant de la matière fissile ou fertile, le matériau combustible étant enveloppé d’une gaine, la gaine délimitant un espace interne, l’élément combustible étant caractérisé en ce qu’il comporte une structure poreuse, dite plénum, disposée dans l’espace interne, la structure poreuse comportant un matériau de structure délimitant un volume libre, le plénum étant configuré pour collecter, dans le volume libre, des gaz générés par des réactions de fission au sein du matériau combustible. L’élément combustible peut s’étendre, selon une épaisseur, entre une première extrémité plane et une deuxième extrémité plane, l'élément combustible ayant la forme d’une plaque plane. Selon une possibilité, l’élément combustible s’étend, selon une épaisseur, entre une première extrémité et une deuxième extrémité, la première extrémité et la deuxième extrémité étant parallèles, et décrivant, dans un plan parallèle à l’épaisseur, une forme courbe, l’élément combustible ayant la forme d’une plaque cintrée. Selon une possibilité, le plenum s’étend d’un point de la gaine, au niveau de la première extrémité, jusqu’à un autre point de la gaine, au niveau de la deuxième extrémité. De préférence, la conductivité thermique du matériau formant le plénum est supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible. Selon une possibilité, le plénum comporte une pluralité d’alvéoles jointives, séparées les unes des autres par une paroi, chaque alvéole délimitant un espace libre. Selon une possibilité, les alvéoles sont réparties selon un maillage régulier. Chaque alvéole peut s’étendre selon une section polygonale. Selon une possibilité, chaque alvéole est délimitée par différents côtés, la dimension maximale d’un côté, parallèlement à une section de l’alvéole, étant inférieure à 1 mm ou à 100 µm. Le plénum peut comporter des piliers, s’étendant autour de l’espace libre. Selon une possibilité, le matériau de structure est de type carbure de silicium ou molybdène ou uranium appauvri ou pyrocarbone et/ou un matériau de structure microporeux. Selon une possibilité: le matériau combustible est délimité par une bordure ; le plénum s’étend le long de la bordure. Selon une possibilité, le matériau combustible s’étend entre quatre coins, le plénum étant agencé le long d’un coin. Selon une possibilité, le volume libre du plénum est supérieur à 1 % et inférieur à 10% du volume du matériau combustible. Le volume libre du plénum peut être inférieur à 5% du volume du matériau combustible. L’épaisseur de l’élément combustible peut être inférieure à 2 cm ou à 1 cm. Selon une possibilité, l’élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fissile de type Uranium 235 et/ou du Plutonium 239 selon une isotopie supérieure à 1%. Selon une possibilité, l’élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fertile, de type Uranium 238 selon une isotopie supérieure à 99.5%. L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous. FIGURES Les figures 1A et 1B schématisent des exemples d’éléments combustible en forme de plaques comportant un plénum intégré au niveau d’un coin. Les figures 2A, 2B et 2C montrent différentes configurations d’un plénum dont la structure forme des alvéoles. La FIG. 3 schématise un élément combustible en forme de plaque cintrée. La FIG. 4 schématise un élément combustible de type plaque comportant un plénum de forme cylindrique. La FIG. 5 montre un plénum cylindrique, formé de piliers et de plaques, destiné à être intégré dans un élément combustible. La FIG. 6 schématise une autre géométrie rectangulaire de plénum. EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Les figures 1A et 1B représentent un élément combustible 1 selon un premier mode de réalisation. L’élément combustible comporte un matériau combustible 2 formé de matière fissile, par exemple un oxyde d’uranium enrichi. La matière fissile est alors 235 U, l’isotopie en 235 U étant supérieure à quelques pourcents ou dizaines de pourcents. Alternativement, la matière fissile peut comporter 239 Pu. Il peut par exemple s’agir d’un matériau combustible de type MOX (Mixed Oxide – oxyde mixte), comportant de l’oxyde de plutonium et de l’oxyde d’uranium. Selon une variante, l’élément combustible 1 est destiné à des réacteurs à neutrons rapides. Le matériau combustible peut comporter de la matière nucléaire fertile 238 U par exemple sous forme d’oxyde d’uranium appauvri ou de la matière nucléaire fissile, par exemple sous forme d’oxyde de plutonium. Dans l’exemple représenté, l’élément combustible 1 prend la forme d’une plaque plane. Le matériau combustible 2 s’étend entre une première extrémité 2 1 et une deuxième extrémité 2 2 . La distance entre la première extrémité 2 1 et la deuxième extrémité 2 2 forme une épaisseur du matériau combustible 2. Dans cet exemple, les première et deuxième extrémités sont planes. L’épaisseur du matériau combustible 2 est de quelques mm, par exemple 4 mm dans l’exemple des figures 1A et 1B. De façon classique, l’élément combustible 2 comporte une gaine métallique 3, formant une enveloppe, étanche aux liquides, autour du matériau combustible. La gaine 3 est par exemple constituée de zirconium. La gaine délimite un espace interne, comportant le matériau combustible. L’espace interne de l’élément combustible comporte une structure 4, également désignée par le terme « plénum ». La structure 4 est une structure poreuse, ou creuse, la porosité étant avantageusement supérieure à 30 % voire à 50 % et avantageusement supérieure à 75%. Par porosité, on entend un ratio du volume libre de la structure 4 sur le volume total de ladite structure. Par volume libre, on entend un volume initialement rempli d’air, ou d’un autre gaz, et destiné à collecter des gaz résultant de la fission du matériau combustible. Le terme « matériau combustible » désigne le matériau comportant la matière fissile ou fertile, par exemple UO 2 ou PuO 2 . Dans cette description, le terme « élément combustible » désigne l’ensemble formé par le matériau combustible, la gaine et le plénum. Le plenum 4 peut s’étendre le long de toute l’épaisseur du matériau combustible, de la première extrémité 2 1 jusqu’à la deuxième extrémité 2 2 . Il est alors en contact avec la gaine 3 au niveau de chacune desdites extrémités. Le plénum peut s’étendre sur une partie seulement de l’épaisseur. Le long de l’épaisseur, deux plénums peuvent être superposés l’un sur l’autre. Sur la FIG. 1 , on a représenté un plénum de section transversale quadrilatère, longeant la bordure de l’élément combustible, au niveau d’un coin de la bordure. Sur la FIG. 1 , on a représenté un plénum de section transversale triangulaire, de forme triangle rectangle isocèle, longeant la bordure de l’élément combustible, au niveau d’un coin de la bordure. Lorsque l’élément combustible est délimité par quatre coins, un plénum peut être disposé en au moins l’un des quatre coins. Dans les exemples représentés sur les figures 1A et 1B, le plénum est placé à la périphérie du matériau combustible 1. Selon d’autres configurations, décrites en lien avec les figures 4 ou 5, le plénum peut être est disposé au centre du matériau combustible. On estime que pour un élément combustible de dimensions 20 mm x 20 mm x 2 mm, un plénum triangulaire rectangle isocèle, comme représenté sur la FIG. 1 , de 5.7 mm de côté, représentant 4% du volume du matériau combustible, permettrait d’obtenir un gain de 50% de volume libre par rapport à un élément combustible sans plénum. Il en résulterait un gain de pression de 30%. Quel que soit le mode de réalisation, la structure du plénum est réalisée avec un matériau de structure solide et résistant aux niveaux de température susceptibles d’être rencontrés dans un réacteur nucléaire, c’est-à-dire des températures supérieures à 800°C voire à 1000 °C. De préférence, le matériau de structure présente une conductivité thermique élevée. Par conductivité thermique élevée, on entend une conductivité thermique supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible 2 et de préférence supérieure à celle de la gaine 3. La conductivité thermique du matériau de structure est de préférence 5 fois ou 10 fois ou 20 fois ou 30 fois supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible 2. Dans cet exemple, le matériau combustible est formé d’oxyde d’uranium, dont la conductivité thermique λ varie entre 3 W.m -1 .K -1 et 10 W.m -1 .K -1 à température ambiante. Le matériau de structure peut être formé à partir d’un matériau de type molybdène (Mo - λ =138 W.m -1 .K -1 à température ambiante), ou de carbure de silicium (SiC - λ de l’ordre de 400 W.m -1 .K -1 à température ambiante). Le zirconium (Zr), formant la gaine, a une conductivité thermique d’environ 20 W.m -1 .K -1 à température ambiante. Les températures de fusion de Mo et SiC sont respectivement de 2620 °C et 2800 °C. Ces valeurs sont à comparer avec les températures de fusion respectives de UO 2 et Zr, respectivement de l’ordre de 3400 °C et de 2400 °C. Le matériau de structure peut comporter de l’aluminium ou de l’acier. Le matériau de structure doit également être transparent à l’égard des neutrons. Selon une possibilité, le matériau de structure est un matériau à base de carbone, par exemple du pyrocarbone ou de l’uranium appauvri. Le matériau de structure doit comporter des propriétés de résistance mécanique, pour résister aux étapes de fabrication ou aux contraintes rencontrées lors de l’irradiation dans un cœur de réacteur nucléaire. La résistance à la compression est de préférence supérieure à 100 MPa. Le SiC présente une résistance à la compression variant entre 3000 et 5000 MPa. Le Mo présente une résistance à la compression variant entre 200 et 2000 MPa. De préférence, le matériau de structure présente une certaine porosité à l’égard des gaz, ce qui est le cas de certains SiC. Le Mo est davantage étanche à l’égard des gaz. Afin que les gaz puissent s’accumuler dans le volume libre à l’intérieur du plénum, lorsque le matériau de structure est étanche aux gaz, la hauteur de plénum peut être inférieure à l’épaisseur du matériau combustible. En complément ou en alternative, des ouvertures peuvent être ménagées dans le plénum, de façon à permettre le passage de gaz. Cela permet aux gaz de diffuser à travers le combustible, jusqu’au volume libre délimité par le plénum. Selon une possibilité, la liaison entre le plénum 4 et la gaine 3 n’est pas étanche aux gaz. Les gaz de fission peuvent diffuser à travers ladite liaison. Le plénum peut avoir été rendu poreux durant le procédé de fabrication, par l’apparition de microfissurations dans le matériau de structure. Selon une possibilité, le plénum est formé d’un matériau de structure microporeux, par exemple une céramique microporeuse. Selon une possibilité, l’élément combustible comporte une pluralité de plenums, en périphérie et/ou dans la partie centrale du matériau combustible. Le plénum fait office de collecteur des gaz de fission relâchés au cours de réactions de fission induites par l’irradiation neutronique du combustible. Sa porosité est la plus élevée possible, de façon à optimiser le ratio volume du plénum sur volume libre disponible. Les figures 2A, 2B et 2C montrent des exemples de structures alvéolaires, dans lesquels la structure du plénum comporte des parois 4 m parallèles 4 m à l’axe principal Z’ du plénum. Il s’agit de parois pleines, délimitant des alvéoles 4 a . Chaque alvéole forme le volume libre du plénum. Les alvéoles peuvent être polygonales ou circulaires. Sur la FIG. 2 , les alvéoles sont hexagonales. Sur la FIG. 2 , les alvéoles sont triangulaires. Sur la FIG. 2 , les alvéoles sont losanges. De préférence, les alvéoles sont agencées selon un maillage régulier. Elles peuvent s’étendre selon une configuration de type nid d’abeilles. Le gaz peut diffuser à travers les parois 4 m , en particulier lorsque le matériau de structure est poreux ou rendu poreux par des microfissurations résultant de la fabrication. Les parois peuvent s’étendre selon une hauteur inférieure à l’épaisseur du matériau combustible, auquel cas la diffusion de gaz est effectuée à travers le matériau combustible subsistant face au plénum. Une structure alvéolaire est considérée comme particulièrement favorable relativement aux propriétés de résistance mécanique et au ratio volume libre sur volume total du plénum. Sur les figures 1A et 1B, l’élément combustible prend la forme d’une plaque plane. Cependant, l’invention s’applique à des éléments combustibles présentant d’autres géométries. Par exemple, l’invention s’applique à des éléments combustibles en forme de plaques cintrées. Ce type d’élément combustible est présent dans certains réacteurs expérimentaux. Le matériau combustible est contenu entre deux faces parallèles courbes, formant respectivement deux extrémités de l’élément combustible. Dans un plan parallèle à l’épaisseur de la plaque, les deux faces parallèles décrivent respectivement deux courbes parallèles, ou pouvant être considérées comme parallèles. Une telle plaque est schématisée sur la FIG. 3 . La FIG. 4 représente un autre exemple de réalisation, dans lequel le plenum est disposé au centre de l’élément combustible 1, ce dernier étant de type plaque plane. Sur la FIG. 5 , on a représenté le plénum 4 schématisé sur la FIG. 4 . La structure du plénum comporte des piliers 5, agencés en formant différents contours circulaires concentriques. Les piliers s’étendent entre une face inférieure 4 1 et une face supérieure 4 2 . Les piliers sont parallèles à un axe principal Z’. L’espace entre les piliers forme l’espace libre. Lorsque le plénum est intégré dans l’élément combustible, chaque pilier est orienté perpendiculairement aux extrémités planes délimitant le matériau combustible. Sur la FIG. 5 , l’épaisseur de l’élément combustible s’étend le long de l’axe Z. L’axe principal Z’ du plénum est parallèle à l’axe Z. La surface inférieure 4 1 est en contact avec la première extrémité 2 1 . La surface supérieure 4 2 est en contact avec la deuxième extrémité 2 2 . Les surfaces inférieure et supérieure 4 1 ,4 2 sont de préférence pleines. Lors de la fabrication de l’élément combustible, ou lors de son utilisation, les surfaces supérieure et inférieure 4 1 ,4 2 pleines évitent une pénétration de la gaine dans le volume libre du plénum. Dans cet exemple, la section transversale du plénum, c’est-à-dire perpendiculairement à l’axe principal Z’, est circulaire. Selon des variantes, la section transversale peut être polygonale, par exemple triangulaire, quadrilatère ou hexagonale. La FIG. 6 représente une variante selon laquelle la structure du plénum comporte des piliers alignés selon l’axe principal Z’. La section transversale du plénum est rectangulaire. Un tel mode de réalisation convient à une disposition du plénum le long d’une bordure d’un élément combustible de type plaque. Quel que soit le mode de réalisation, le recours à un matériau de structure ayant une conductivité thermique élevée favorise une évacuation de la chaleur, en particulier lorsque le plénum est en contact avec la gaine 3. La limitation de la température du plénum permet d’augmenter la quantité de gaz stockée pour un même niveau de pression. Pour cette même raison, il est préférable que le plénum soit disposé dans une partie « froide » de l’élément combustible, c’est-à-dire une partie de l’élément combustible dans laquelle la variation de température du combustible est minimale. Le volume occupé par le plénum peut être compris entre 1 et 10% du volume du matériau combustible. De préférence, le volume occupé par le plénum est inférieur à 5% du volume du matériau combustible. Plusieurs techniques de fabrication permettent d’obtenir un plénum : fabrication additive, moulage, ablation laser. Quel que soit le mode de réalisation, l’ajout d’un plénum engendre une diminution du volume du matériau combustible. Cela peut être compensé en augmentant l’enrichissement de la matière fissile comprise dans le matériau combustible, de façon à ne pas affecter la densité de puissance de l’élément combustible L’invention permet d’obtenir une diminution significative de la pression interne dans l’élément combustible, par l’augmentation du volume libre à l’intérieur de l’élément combustible. Élément combustible (1), en forme de plaque, destiné à être disposé dans un réacteur nucléaire, l’élément combustible comportant un matériau combustible (2), comportant de la matière fissile ou fertile, le matériau combustible étant enveloppé d’une gaine (3), la gaine délimitant un espace interne l’élément combustible étant caractérisé en ce qu’il comporte une structure poreuse (4), dite plénum, disposée dans l’espace interne, la structure poreuse comportant un matériau de structure délimitant un volume libre, le plénum étant configuré pour collecter, dans le volume libre, des gaz générés par des réactions de fission au sein du matériau combustible. Elément combustible selon la revendication 1, s’étendant, selon une épaisseur, entre une première extrémité plane (2 1 ) et une deuxième extrémité plane (2 2 ), l'élément combustible ayant la forme d’une plaque plane. Elément combustible selon la revendication 1, s’étendant selon une épaisseur, entre une première extrémité et une deuxième extrémité, la première extrémité et la deuxième extrémité étant parallèles, et décrivant, dans un plan parallèle à l’épaisseur, une forme courbe, l’élément combustible ayant la forme d’une plaque cintrée. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le plenum s’étend d’un point de la gaine, au niveau de la première extrémité, jusqu’à un autre point de la gaine, au niveau de la deuxième extrémité. Elément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la conductivité thermique du matériau formant le plénum est supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le plénum comporte une pluralité d’alvéoles (4 a ) jointives, séparées les unes des autres par une paroi (4 m ), chaque alvéole délimitant un espace libre. Elément combustible selon la revendication 6, dans lequel les alvéoles sont réparties selon un maillage régulier. Elément combustible selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel chaque alvéole s’étend selon une section polygonale. Elément combustible selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel chaque alvéole est délimitée par différents côtés, la dimension maximale d’un côté, parallèlement à une section de l’alvéole, étant inférieure à 1 mm ou à 100 µm. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le plénum comporte des piliers, s’étendant autour de l’espace libre. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau de structure est de type carbure de silicium ou molybdène ou uranium appauvri ou pyrocarbone et/ou un matériau de structure microporeux. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : le matériau combustible est délimité par une bordure ; le plénum s’étend le long de la bordure. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau combustible s’étend entre quatre coins, le plénum étant agencé le long d’un coin. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le volume libre du plénum est supérieur à 1 % et inférieur à 10% du volume du matériau combustible. Élément combustible selon la revendication 14, dans lequel le volume libre du plénum est inférieur à 5% du volume du matériau combustible. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’épaisseur de l’élément combustible étant inférieure à 2 cm ou à 1 cm. Élément combustible selon l’une quelconque précédente, dans lequel l’élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fissile de type Uranium 235 et/ou du Plutonium 239 selon une isotopie supérieure à 1%. Élément combustible selon l’une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel l’élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fertile, de type Uranium 238 selon une isotopie supérieure à 99.5%.