FR 3150632 A1 20250103 FR 2306915 A 20230629 Pastille de combustible nucléaire intégrant un insert conducteur thermique sous la forme de branches ramifiées réparties depuis un cylindre intérieur évidé vers l’extérieur de la pastille. L’invention consiste essentiellement en une pastille de combustible nucléaire qui intègre, au sein d’un anneau cylindrique droit de matière fissile, un conducteur thermique, notamment métallique, sous la forme de branches principales ramifiées qui s’étendent depuis l’intérieur de l’anneau vers l’extérieur, réparties avantageusement de manière homogène au sein de l’anneau. L’insert constitué par ses branches et ramifications à l’échelle de la macrostructure permet de diminuer la température maximale du combustible de plusieurs centaines de degrés Celsius suivant ses dimensions, son matériau constitutif et la répartition de ses branches dans l’anneau cylindrique droit de combustible. Figure pour l’abrégé : fig.4 Pastille de combustible nucléaire intégrant un insert conducteur thermique sous la forme de branches ramifiées réparties depuis un cylindre intérieur évidé vers l’extérieur de la pastille. La présente invention concerne le domaine des éléments combustibles pour les réacteurs nucléaires, notamment les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR), dont ceux refroidis par un métal liquide, notamment par du sodium liquide (RNR-Na). Plus précisément, elle se situe dans le domaine des combustibles de type céramique en oxyde d’uranium ou d’uranium et de plutonium (U, Pu)O 2 ou MOX (acronyme pour «oxyde mixte »). L’invention vise essentiellement à améliorer les propriétés thermiques de ces combustibles ainsi que la réduction du gonflement gazeux, et ce tant en fonctionnement nominal, qu’en régime incidentel ou accidentel (par exemple en situation d’augmentation de puissance ou de perte de réfrigérant). Par « réacteurs nucléaires », dans l'ensemble de la demande, on comprend le sens usuel du terme à ce jour, à savoir des centrales de production d'énergie à partir des réactions de fission nucléaire utilisant des éléments combustibles dans lesquels se produisent les fissions qui libèrent la puissance calorifique, cette dernière étant extraite des éléments par échange thermique avec un fluide caloporteur qui assure leur refroidissement. Par « crayon de combustible nucléaire », dans l'ensemble de la demande, on comprend le sens officiel défini par exemple, dans le dictionnaire des Sciences et Techniques nucléaires, à savoir un tube étroit de faible diamètre, fermé à ses deux extrémités, constituant du cœur d'un réacteur nucléaire et contenant de la matière fissile. Ainsi, une « aiguille de combustible nucléaire » est un crayon de combustible nucléaire mais dont la terminologie est d’usage pour les réacteurs à neutrons rapides. Bien que décrite en référence à l’application aux Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR), dont ceux refroidis par un métal liquide, notamment par du sodium liquide (RNR-Na) mais également plomb, plomb-bismuth, etc., l’invention concerne des éléments combustibles qui peuvent être dédiés à tous types de réacteurs à vocation électrogène, calogène ou expérimentale, comme les Réacteurs à Eau Bouillante (REB), les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) et tous les réacteurs avancés de 3 ème et 4 ème génération. Les réacteurs nucléaires qui utilisent l’énergie de fission pour produire de la chaleur peuvent être classés dans plusieurs catégories différentes en fonction de leurs caractéristiques : la forme d’énergie finale produite (électricité, chaleur…), le type de flux neutronique (neutrons rapides ou neutrons thermalisés), le fluide de refroidissement utilisé (métal liquide, eau…), l’état physique du fluide de refroidissement (liquide ou gazeux), le niveau de pression du fluide de refroidissement … Les assemblages combustibles destinés à être utilisés dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium liquide (RNR-Na), présentent une structure mécanique particulière afin notamment de laisser passer le sodium liquide en leur sein. On a représenté en figures 1 et 1A, un assemblage combustible 1 classiquement utilisé dans un réacteur nucléaire RNR-Na. Un tel assemblage 1 de forme allongée selon un axe longitudinal X comprend tout d’abord un tube ou boitier 10 à section hexagonale, fermé et étanche sur le pourtour, dont la portion supérieure 11 forme la tête de préhension de l’assemblage et loge un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS), et dont la portion centrale 12 enveloppe des aiguilles de combustible 100. Les portions 11, 12 forment une même enveloppe tubulaire 10 ou boitier de section hexagonale identique sur toute sa hauteur. La tête 11 de l’assemblage comporte une ouverture centrale 110 débouchant en son sein et utilisée pour sa manutention. La portion centrale 12 d’un assemblage comprend une pluralité d’aiguilles 100 de combustible nucléaire. Chaque aiguille 100 se présente sous la forme d’un tube de gaine cylindrique étanche en acier et fermé aux deux extrémités par un bouchon soudé à l’intérieur de laquelle est empilée une colonne 14 de pastilles de combustible fissile au sein desquelles se produisent les réactions nucléaires qui dégagent de la chaleur. Toutes les colonnes 14 définissent ce que l’on dénomme usuellement la zone fissile qui est approximativement située à mi-hauteur d’un assemblage 1. La gaine des aiguilles 100 constitue ainsi la première barrière de confinement dont il est très important de préserver l’intégrité en la protégeant des agressions extérieures telles que des chocs/contraintes mécaniques ou des températures excessives. Cette puissance est évacuée vers la source froide du circuit primaire (par exemple le sodium liquide de refroidissement) en rencontrant un certain nombre de résistances thermiques que l’on peut synthétiser comme suit : la faible conductivité thermique de la matière fissile constitué d’une céramique oxyde qui conduit à un fort gradient thermique entre le centre et la périphérie de la pastille; la résistance thermique du jeu entre pastille et gaine de l’aiguille; la conduction thermique radiale à travers la gaine; la résistance due à l’échange convectif radial entre la face externe de la gaine et le fluide caloporteur. La , issue de la publication [6] donne l’ordre de grandeurs des températures dans une pastille de combustible en régime de fonctionnement nominal. Il y a différentes manières d’améliorer la fonction d’évacuation de la puissance produite par une pastille ou un empilement de pastilles combustibles (U,Pu)O 2 . Certaines caractéristiques pouvant difficilement être modifiées, comme le fluide primaire ou le matériau de la gaine, la voie d’innovation la plus ouverte est celle de l’amélioration de la conductivité thermique du combustible, par exemple de l’(U,Pu)O 2 . Cette voie peut être divisée en deux catégories qui ont été explorées. La première catégorie concerne l’amélioration de la conductivité thermique sans ajout d’une autre phase au sein du combustible, par exemple (U,Pu)O 2 . Cette première catégorie peut elle-même être subdivisée en trois sous-catégories comme suit : - une modification de la forme de l’aiguille, afin d’augmenter la surface d’échange entre source chaude et source froide. Cette modification est localisée par définition au niveau de chaque crayon d’un assemblage combustible. Cette solution a pour inconvénients majeurs de nécessiter une nouvelle conception de l’assemblage et d’avoir un impact éventuel sur la fabricabilité de l’aiguille et les performances de l’assemblage; - un changement de la nature du combustible en passant d’un oxyde combustible à un combustible meilleur conducteur de chaleur, par exemple un combustible métallique. Cette modification est localisée par définition au niveau de chaque pastille combustible. Cette solution a pour inconvénients majeurs d’induire un comportement différent en réacteur, de nécessiter une recherche et développement pour développer/qualifier ce nouveau combustible, de mettre au point des nouveaux procédés de fabrication et d’avoir à redéfinir le cycle aval du combustible; La deuxième catégorie concerne l’amélioration de la conductivité thermique avec l’ajout d’une autre phase au sein du combustible (U,Pu)O 2 . L’ajout est localisé par définition au niveau de chaque pastille combustible. Cette deuxième catégorie peut elle-même être subdivisée en trois sous-catégories comme suit : - une dispersion homogène d’un matériau, tel que le diamant, le graphène…, de conductivité thermique supérieure à la céramique (U,Pu)O 2 à l’échelle du nanomètre jusqu’à l’échelle du micron. Cette solution ne semble pas pertinente à ce jour du point de vue de son comportement thermique. Les inventeurs estiment qu’il est toutefois difficile de statuer sur cette solution par manque d’informations et de connaissances. - une dispersion homogène d’une seconde phase métallique à l’échelle microscopique avec l’objectif d’augmenter la conductivité thermique équivalente de la pastille: voir notamment [1]. La dispersion aléatoire de cette seconde phase métallique dans la céramique (U, Pu)O 2 ou dans du MOX a été également envisagée par cohérence avec le procédé standard de mélange des poudres pour la fabrication. Il a été montré que la microstructure d’une pastille de combustible qui en résultait n’était pas efficace vis-à-vis de l’amélioration des propriétés thermiques. En outre, cette solution a pour inconvénients majeurs d’induire une difficulté de fabrication et de nécessiter la finalisation puis la validation d’outils de modélisation existants; - une dispersion hétérogène d’une seconde phase métallique à l’échelle macroscopique, c’est-à-dire à l’échelle du dixième de millimètre ou moins, avec l’objectif de favoriser le flux thermique de la pastille (U,Pu)O 2 vers la source froide. Cette seconde phase métallique se caractérise par un insert métallique au sein de la matière fissile de la pastille. Un tel insert métallique est décrit sous deux conceptions distinctes dans la publication [3]. Une de ces conceptions, montrée à la figure 1a de cette publication [3], consiste en un ensemble de six ailettes fines, réparties uniformément selon une distribution angulaire à la manière de rayons d’une roue de vélo. Cette conception améliore effectivement la thermique de la pastille combustible au centre. Cependant, l’analyse faite sur cette conception montre que si, effectivement, le choix des caractéristiques structurelles des ailettes permet d’atteindre une réduction importante de la température de la pastille à cœur, en revanche ce choix génère potentiellement plusieurs inconvénients pouvant avoir des conséquences très gênantes sur le comportement de la pastille, voire même remettre totalement en cause la pertinence de la solution. Les principales conséquences potentiellement négatives sont les suivantes dans un réacteur REP: une garantie hypothétique de la fonction thermique sous irradiation et de la tenue mécanique sous irradiation des ailettes compte tenu de leur faible épaisseur; une tenue mécanique de la gaine non garantie, avec des gradients de température élevés et locaux sur celle-ci, typiquement de 100 à 300 °C/mm, qui sont dus aux contacts de chaque ailette avec la gaine ; l’absence de certitude de ne pas aggraver le phénomène d’Interaction Pastille Gaine avec une Corrosion Sous Contrainte (IPG-CSC) ; un niveau de corrosion susceptible d’être présent sur la gaine en cours d’irradiation ; une fabricabilité des ailettes métalliques dans un combustible céramique non démontrée avec notamment la possibilité du montage des ailettes. Pour pallier les inconvénients précités de la conception montrée à la figure 1a de la publication [3], la demanderesse a proposé dans les demandes de brevet WO2022/223387, WO2022/223504, WO2022/223510, différentes formes d’insert métallique en substance respectivement, à section transversale en croix à quatre branches, et à disque(s) plein(s) et tige pleine. Si ces solutions apparaissent satisfaisantes pour les réacteurs REP, les inventeurs de la présente invention se sont fixés comme objectif de proposer une pastille de combustible, spécifiquement conçue pour les réacteurs à neutrons rapides, et donc pour respecter les contraintes suivantes: améliorer la conductivité thermique d’une pastille de combustible à céramique (U,Pu)O 2 ou MOX, en tant que matériau fissile, et conserver des températures de fusion élevée; réduire la réaction combustible-gaine qui produit par la corrosion une diminution de l’épaisseur de la gaine ; augmenter le relâchement des gaz de fission et de l’Hélium de façon athermique lorsque la diffusion n’est pas activée par le gradient thermique (faible puissance). L’objectif d’éviter la rétention des gaz dans le combustible permet d’écarter le risque de fusion du combustible et/ou de rupture de la gaine par gonflement gazeux activé thermiquement lors d’un transitoire de puissance de type remontée intempestive de barre de commande. Autrement dit, il existe un besoin d’améliorer la conception thermique de pastilles de combustible nucléaire, plus particulièrement à base d’oxydes (U,Pu)O 2 ou MOX, afin de diminuer au maximum leur température à cœur, en régime de fonctionnement nominal notamment pour un cœur de Réacteur à Neutrons rapides (RNR) tout en respectant les contraintes précitées. Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, une pastille de combustible nucléaire, comprenant : - un anneau cylindrique droit de matière fissile d’axe central délimité par un cylindre droit intérieur et un cylindre droit extérieur dont leur longueur définit la longueur de la pastille, le cylindre droit intérieur étant évidé et définissant le diamètre intérieur, le cylindre droit extérieur définissant le diamètre extérieur de la pastille; - un insert en matériau conducteur thermique, sous la forme d’au moins trois branches principales ramifiées qui s’étendent sur toute ou partie de la longueur de pastille et radialement depuis la périphérie du cylindre droit intérieur évidé vers l’extérieur de la pastille, chacune des branches principales étant ramifiée de manière symétrique ou non au moins p fois, p étant supérieur ou égal à 1 ; le nombre n de ramifications symétriques ou non par branche principale et par ramification étant égal à n, n étant supérieur ou égal à 2 ; les branches principales avec leurs ramifications étant réparties régulièrement dans le volume de l’anneau et distantes les unes des autres. Dans le cadre de l’invention, la longueur de la pastille signifie sa hauteur. Avantageusement, le nombre p est compris entre 1 et 7, le nombre n est égal à 2. Les branches principales avec leurs ramifications peuvent être rectilignes ou incurvées. Un insert peut être avantageusement métallique ou en alliage métallique ou céramique. Les branches principales avec leurs ramifications sont de section transversale carrée, rectangulaire, circulaire ou elliptique. Les branches et ramifications peuvent s’étendre selon toute la longueur de la pastille ou être réparties selon des plans transversaux à l’axe centrale en étant séparés les uns des autres d’une distance axiale, de préférence constante sur la longueur/hauteur de pastille. Dans l’ensemble de la description, la section de branche ou de ramification à laquelle il est fait référence est celle calculée à partir du diamètre du cylindre droit extérieur ou à partir de l’épaisseur du plan vertical. Selon un mode de réalisation avantageux, chacune des branches principales et de ses ramifications s’étend radialement jusqu’au diamètre extérieur de la pastille. De préférence, le ratio entre la section de chaque ramification et celle de chaque branche principale est inférieur ou égal à 1. De préférence encore, l’épaisseur de chaque branche principale est inférieure à 0,5 mm, de préférence inférieure 0,1 mm. De préférence encore, le ratio entre section et longueur de chacune des branches principales et de ses ramifications étant inférieur à 0,5, de préférence inférieur à 0,1. Avantageusement, le matériau des branches principales et de ses ramifications est choisi parmi le molybdène (Mo), le niobium (Nb) ou leurs alliages, de préférence un alliage NbZr ou un alliage NbZrC. Un alliage NbZr ou NbZrC présente une température de fusion égale à 2742K soit très proche de celle d’une matière fissile MOX qui est comprise entre 2700 et 3000K suivant la teneur en Pu et le O/M. Le Nb ainsi que l’alliage NbZr ou NbZrC piègent l’oxygène et sont transparents aux neutrons en spectre rapide. Avantageusement encore, la matière fissile du cylindre droit est choisie parmi l’oxyde d'uranium (IV) (UO2), l’oxyde mixte (U, Pu)O2 ou un mélange mixte à base d'oxyde d'uranium et d'oxydes de plutonium retraités (MOx), ou tout autre céramique fissile. De préférence, le pourcentage volumique des branches principales avec leurs ramifications est compris entre 1 et 20 %. L’invention concerne également une aiguille de combustible nucléaire s'étendant selon une direction longitudinale (XX') comprenant : - une pluralité de pastilles nucléaires telles que décrites précédemment, empilées les unes sur les autres ; - une gaine en matériau transparent aux neutrons entourant l'empilement de pastilles. Avantageusement, la gaine est en alliage de zirconium, notamment en Zircaloy-4 (Zr 4 ), ou en alliage M5 ® (ZrNbO). L’invention concerne également l’utilisation d’une pastille de combustible nucléaire telle que décrite précédemment ou d’une aiguille de combustible comme décrit ci-avant dans un réacteur à neutrons rapides (RNR), notamment refroidi par métal liquide, tel que le sodium liquide (RNR-Na), un réacteur à eau pressurisée (REP), un réacteur à eau bouillante (REB). Ainsi, l’invention consiste essentiellement en une pastille de combustible nucléaire qui intègre, au sein d’un anneau cylindrique droit de matière fissile, un conducteur thermique, notamment métallique, sous la forme de branches principales ramifiées qui s’étendent depuis l’intérieur de l’anneau vers l’extérieur, réparties avantageusement de manière homogène au sein de l’anneau. L’insert constitué par ses branches et ramifications à l’échelle de la macrostructure permet de diminuer la température maximale du combustible de plusieurs centaines de degrés Celsius suivant ses dimensions, son matériau constitutif et la répartition de ses branches dans l’anneau cylindrique droit de combustible. Typiquement, la macrostructure de l’insert avec ses branches ramifiées permet d’évacuer la chaleur grâce à la conductivité thermique du matériau constitutif choisi qui peut être environ 20 à 30 fois supérieure à celle d’un combustible MOX. Grâce à ses propriétés thermiques, typiquement environ 20 à 30 fois supérieure à celle du MOX, et à l’arrangement de ses branches ramifiées dans la matrice fissile, l’insert métallique va permettre d’augmenter l’évacuation de la chaleur. Un calcul de la conductivité thermique équivalente par un outil de type éléments finis peut illustrer ce gain en performances thermiques. Le métal avantageusement choisi, NbZr(C), étant réfractaire, la température de fusion de l’insert est quasiment aussi élevée que celle de la phase fissile, typiquement supérieure à 2700 K. La dilatation thermique différentielle entre la matière fissile, notamment du MOX et le métal de l’insert est à prendre en compte lors de la fabrication puis lors de l’irradiation. Lorsque l’insert est en Nb ou NbZr ou NbZrC, le niobium va permettre de piéger les atomes d’oxygène libérés suite aux réactions de fission et donc de réduire voire annuler la corrosion de la gaine d’une aiguille. Le principal produit de réaction entre Nb et O, Nb 2 O 5 , est connu pour être poreux. L’interface entre l’insert et le MOX va donc évoluer avec la formation d’un joint poreux Nb 2 O 5 , qui va constituer un chemin de diffusion des gaz de fission et de l’hélium lors de l’irradiation et ceci, quel que soit le régime thermique de la pastille (diffusion athermique). Pour optimiser la macrostructure de l’insert dans la pastille, les propriétés thermiques de chacun des matériaux et les contraintes en termes de conception d’élément combustible seront à prendre en compte. Cette optimisation devrait conduire à préciser l’aspect géométrique de la macrostructure pour viser les performances les plus élevées, en fonction du type de réacteur envisagé. Une pastille de combustible céramique ayant une conductivité thermique équivalente plus haute présente de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer : une diminution du gradient thermique dans la pastille qui permet de réduire sa fragmentation et la diffusion des espèces une diminution de la température maximale et globale de la pastille, une diminution du gonflement des bulles de gaz et donc de la pastille, une diminution de la dilatation thermique, une diminution de l’interaction mécanique entre la pastille et la gaine, ce qui est bénéfique pour la déformation diamétrale de la gaine et la densité d’énergie de déformation de la gaine, un gain de marges sur les différents critères de sûreté précités, en particulier sur la limite à fusion du combustible, ce qui augmente ainsi les marges de fonctionnement d’un réacteur nucléaire notamment afin d’être plus flexible en pilotage, et d’obtenir un gain en puissance maximale voire en burn-up maximal, en particulier afin d’améliorer la capacité de pilotage à haut burn-up. Les applications industrielles principalement visées pour l’invention sont l’ensemble des réacteurs de 4ème génération à spectre neutronique rapide. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes. la est une vue schématique en coupe longitudinale d’un crayon de combustible nucléaire selon l’état de l’art, tel qu’il est mis en œuvre dans un réacteur nucléaire de type REP. la est une vue en coupe transversale de la . la illustre sous la forme d’une courbe les températures dans une pastille de combustible nucléaire selon l’état de l’art, en régime de fonctionnement nominal. la est une vue schématique en perspective d’un motif M de base d’une aiguille de combustible nucléaire dont la gaine loge une pastille de combustible avec un insert métallique à branches ramifiées, non représenté, selon l’invention. la est une vue schématique en coupe transversale, d’une pastille combustible selon un exemple de l’invention, à insert métallique à six branches principales ramifiées trois fois. la est une vue partielle en coupe transversale de la pastille selon la , issue d’un outil de Conception Assistée par Ordinateur (CAO), la montrant les paramètres géométriques de la ramification des branches. la reprend la telle qu’elle issue d’une simulation numérique. la reprend une partie de la avec une représentation du maillage numérique. la reprend la avec une représentation des différentes températures au sein de la pastille. la est une vue schématique en coupe transversale, d’une pastille combustible selon un autre exemple de l’invention, à insert métallique à six branches principales ramifiées une seule fois. Description détaillée Par souci de clarté, un même élément selon l’état de l’art et selon l’invention est désigné par une même référence numérique. Les figures 1 et 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne seront donc pas détaillées ci-après. Dans les exemples ci-après, les pastilles de combustible selon l’invention sont simulées numériquement pour évaluer leurs performances thermiques, par un logiciel commercialisé sous l’appellation « FreeFem++ », version v4.7-2 : https://freefem.org/. On a représenté en , un motif de base M d’un crayon de combustible nucléaire avec une gaine 2 logeant une pastille de combustible 6 selon l’invention. Un premier exemple d’une pastille 6 selon l’invention est illustré à la . Une pastille 6 selon l’invention d’axe central (X) comprend tout d’abord un anneau cylindrique droit 60 de matière fissile d’axe central (X) délimité par un cylindre droit intérieur 61 et un cylindre droit extérieur 62 dont leur longueur définit la longueur (H) de la pastille. Le cylindre droit intérieur 61 est évidé et définit le diamètre intérieur (Øint) de la pastille 6, tandis que le cylindre droit extérieur 62 définit le diamètre extérieur (Øext) de la pastille 6. Selon l’invention, la pastille 6 comprend un insert 7 en matériau conducteur thermique, sous la forme d’au moins trois branches principales (6 branches principales sur la : 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6) ramifiées qui s’étendent sur toute la longueur de la pastille et radialement depuis la périphérie du cylindre droit intérieur évidé 61 vers l’extérieur de la pastille, de préférence jusqu’au diamètre extérieur 62. Chacune des branches principales 7.1 à 7.6 est ramifiée de manière symétrique ou non au moins p fois, p étant supérieur ou égal à 1. Le nombre n de ramifications 70, 71, 72, par branche principale et par ramification est égal à n, n étant supérieur ou égal à 2. Les branches principales 7.1 à 7.6 avec leurs ramifications 70 à 72 sont réparties régulièrement ou non dans le volume de l’anneau 60 et distantes les unes des autres. Des procédés de fabrication additive peuvent être mis en œuvre pour réaliser ce type de géométries d’insert à branches ramifiées. L’exemple de la est une pastille 6 dont l’insert 7 est constitué de six branches principales rectilignes 7.1 à 7.6 réparties à 60° les unes des autres, chaque branche principale étant ramifiée par deux ramifications 70 symétriques également rectilignes. Le nombre de ramifications symétriques rectilignes 70 à 72 depuis chaque branche principale est égal à 3. Les inventeurs ont réalisé un exemple précis de dimensionnement de ce premier exemple de pastille à six branches principales 7.1 à 7.6 ramifiées. Les dimensions de référence, montrées en sont indiquées dans le tableau 1 ci-après. Paramètres dimensionnels de la pastille 6 et son insert 7 diamètre intérieur (Øint = 2*Rint) 1,0 mm diamètre extérieur (Øext) 7,14 mm Largeur branche et ramification ( >L ) 0,032 mm R1 0.35 mm θ1 (theta1) 27° R2 0,75 mm θ2 (theta 2 ) 27° R3 0,5 mm θ3 (theta3 ) 15 ° R4 1,1 mm θ4 (theta4 ) 20 ° R5 0,5 mm Une analyse des performances attendues d’une pastille 6 à insert 7 à branches ramifiées comme illustré à la et 8 comparativement à celles d’une pastille à combustible MOX sans insert selon l’état de l’art a été faite par les inventeurs dans le tableau 2. Le tableau 2 suivant synthétise ces performances. Performances Pastille de combustible selon l’état de l’art Pastille de combustible 6 selon l’invention THERMIQUE marge à la fusion 2 W/m.K à 2400K ~300 K (pour une puissance linéique de 500W/cm) 30 W/m.K maximum >1200 K THERMOCHIMIE risque de rupture de gaine par contrainte primaire et fluage 200 µm (taux de combustion max) avec diminution de l’épaisseur de la gaine de 50% élevé d’où la nécessité de dimensionnement adapté de l’aiguille pour gérer ce risque 0 µm réduit DIFFUSION DES GAZ DE FISSION - relâchement des gaz de fission - lors de transitoires de puissance, risque de fusion du combustible par fermeture du trou central à cause du gonflement gazeux - risque d’interaction mécanique pastille gaine à fort taux de combustion ou pendant un transitoire 70 à 80% en intégrale sur la pastille avéré et dimensionnant avéré et dimensionnant >95% aucun aucun Il ressort de ce tableau que l’insert à branches ramifiées selon l’invention permet comparativement à une pastille sans insert à combustible MOX selon l’état de l’art: d’augmenter la puissance ; d’éviter la fusion du combustible dans la quasi-totalité des transitoires accidentels ; d’atteindre des taux de combustion très élevés ; de réduire les épaisseurs de gaine et donc des coûts et des déchets de structure ; d’améliorer de manière significative la sûreté ; de ne pas pénaliser la hauteur d’aiguille car les volumes libres sont déjà dimensionnés pour 100% de relâchement. Pour quantifier l’amélioration attendue des performances, les inventeurs ont réalisé un calcul 2D de thermique en imposant une source de chaleur dans la matière fissile et en imposant la température du bord externe 62 de la pastille 6. Cela se traduit par un flux de chaleur du bord du centre évidé 61 vers le bord 62 de la pastille 6. Les calculs ont été effectués sur une pastille 6 dont la matière fissile est de formule (U1-y,Puy)Ox et l’insert 7 est en alliage NbZr ou NbZrC. Les propriétés de ces matériaux, extraites respectivement des références [4] et [5] sont données dans le tableau 3 ci-après. Propriétés physiques Matière fissile Insert métallique 7 matériau (U 1-y ,Pu y )Ox Nb Zr ou NbZrC stœchiométrie (2-x) 1.98 - valeur de y 0.3 - conductivité thermique (W/m.K) Equation 1 Equation 2 température de fusion (K) T solidus =416y 2 – 521y + 3143 T solidus =2673 L’équation 1 s’écrit : λ : la conductivité thermique en W/m.K T : température en K, x : la déviation à la stochiométrie soit x=O/M-2.0, z 1 : la teneur en americium Am (Am/(U+Pu+Np+Am)), z 2 : la teneur en neptunium Np (Np/(U+Pu+Np+Am)). L’équation 2 s’écrit : k : la conductivité thermique en W/m.K T : température en K. Les calculs thermiques 2D résolvent l’équation 3 suivante : avec des conditions de bord de Dirichlet en bord de pastille. La conductivité est fonction du matériau, de même que le terme source , qui est uniforme au sein de la matière fissile et nul dans l’insert métallique (on néglige les quelques réactions de capture). Les conditions des calculs sont indiquées dans le tableau 4 ci-après. Puissance thermique taux de chaleur linéaire (W/cm) 548 profil radial en début de vie plat Température température extérieure de la pastille en 62 1144.1 température maximale de la pastille en 61 à déterminer Le calcul a été réalisé sur un maillage composé de 182004 puis 728016 triangles avec une variation de l’un à l’autre de 1K en termes de température maximale, ce qui permet de conclure que les calculs ont bien convergé. Les résultats obtenus pour un exemple de géométrie de pastille 6 comme selon la sont illustrés sur les figures 6 à 8. On précise que sur la , l’échelle est déformée pour visualiser les variations de la conductivité thermique locale de la pastille 6. La illustre un autre exemple de pastilles 6 à six branches principales 7.1 à 7.6 rectilignes, chacune étant ramifiée une seule fois en deux branches 70 symétriques également rectilignes. Le tableau 5 suivant présente les résultats des calculs thermiques sur une pastille selon l’invention à insert 7 selon les figures 4 et 9 en comparaison avec une pastille de combustible MOX sans insert selon l’état de l’art avec les mêmes conditions de géométrie et conditions de fonctionnement. Pastille de combustible Pastille selon l’état de l’art sans insert, de type (U,Pu)O2 Pastille selon l’exemple de la figure 4 Pastille selon l’exemple de la figure 9 Géométrie (mm) Φext/Φint égal à 7,14/2,01 soit 3,55 Φext/Φint égal à 7,14/2,01 soit 3,55 Largeur L branches et ramifications égal à 0,032 Φext/Φint égal à 7,14/2,01 soit 3,55 Largeur L branches et ramifications égal à 0,088 Puissance linéique appliquée (W/cm) 548 548 548 Part de métal/total 0%Vol 10.1% vol 10.0% Tmax combustible (K) 2573 1655 1622 Tmin combustible (K) 1144 1144 1144 ΔT combustible (K) 1430 515 478 Il ressort donc de ce tableau 5 que : un gain de près de 915K dans les températures maximum de pastille est obtenu avec une géométrie d’insert métallique selon la , ce qui corrobore la performance thermique attendue ; à fraction volumique de métal donnée, un gain de température sensiblement équivalent est obtenu pour une géométrie selon la , avec un seul niveau de ramifications. En outre, les inventeurs pensent que la géométrie ramifiée de l’insert selon la présente l’avantage d’avoir une température en bord de pastille plus uniforme que celle de la . L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention. En fonction des applications envisagées (réacteurs à neutrons rapides principalement), différents paramètres d’une pastille à insert métallique à branches ramifiées pourront être optimisés. Parmi les paramètres à optimiser, on peut citer : - le choix d’un métal réfractaire différent du NbZr ou NbZrC ; - un rapport volumique métal/céramique différent de celui des calculs ci-avant ; - le choix d’une matière fissile autre que du MOX ; - un agencement et dimensions des ramifications différents de ceux des figures 4 et 9 ; - un dimensionnement des diamètres intérieur et extérieur de la pastille différent de celui des calculs ci-avant. Liste des références citées [1]: Kim D.J. – Rhee Y.W. & al – “ Fabrication of Micro-Cell_UO2-Mo with enhanced thermal conductivity ”, JNM 462 (2015) 289-295. [2]: Y. Guerin, « 2.21 - Fuel Performance of Fast Spectrum Oxide Fuel », in Comprehensive Nuclear Materials , R. J. M. Konings, Éd., Oxford: Elsevier, 2012, p. 547-578. doi: 10.1016/B978-0-08-056033-5.00043-4. [3]: Medvedev P.G. & Mariani R.D. – “ Conductive inserts to reduce nuclear fuel ”, JNM 531 (2020) 151966. [4]: M. Kato, K. Maeda, T. Ozawa, M. Kashimura and Y. Kihara, “ Physical Properties and Irradiation Behavior Analysis of Np- and Am-Bearing MOX Fuels ”, J. Nucl. Sci. Technol. 48 (2011) 646. [5]: D.J. Senor, J.K. Thomas, K.L. Peddicord, Journal of Nuclear Materials 173 (1990) page 261-273 and page 274-283. Pastille (6) de combustible nucléaire, comprenant : un anneau cylindrique droit (60) de matière fissile d’axe central (X) délimité par un cylindre droit intérieur (61) et un cylindre droit extérieur (62) dont leur longueur définit la longueur (H) de la pastille, le cylindre droit intérieur étant évidé et définissant le diamètre intérieur (Ø int ), le cylindre droit extérieur définissant le diamètre extérieur (Ø ext ) de la pastille; un insert (7) en matériau conducteur thermique, sous la forme d’au moins trois branches principales (7.1 à 7.6) ramifiées qui s’étendent sur tout ou partie de la longueur de pastille et radialement depuis la périphérie du cylindre droit intérieur évidé vers l’extérieur de la pastille, chacune des branches principales étant ramifiée de manière symétrique ou non au moins p fois, p étant supérieur ou égal à 1 ; le nombre n de ramifications (70, 71, 72, 73) symétriques ou non par branche principale et par ramification étant égal à n, n étant supérieur ou égal à 2 ; les branches principales avec leurs ramifications étant réparties régulièrement dans le volume de l’anneau et distantes les unes des autres. Pastille (6) selon la revendication 1, le nombre p étant compris entre 1 et 7, le nombre n étant égal à 2. Pastille (6) selon l’une des revendications 1 ou 2, les branches principales avec leurs ramifications étant rectilignes ou incurvées. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, les branches principales avec leurs ramifications étant de section transversale carrée, rectangulaire, circulaire ou elliptique. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, chacune des branches principales et de ses ramifications s’étendant radialement jusqu’au diamètre extérieur de la pastille. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le ratio entre la section de chaque ramification et celle de chaque branche principale étant inférieur à 1. Pastille (6) selon la revendication 6, la section de chaque branche principale étant inférieure à 0,5 mm², de préférence inférieure à 0,1 mm² . Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le ratio entre section et longueur de chacune des branches principales et de ses ramifications étant inférieur à 0,5 mm, de préférence inférieur à 0,1 mm. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le matériau des branches principales et de ses ramifications étant choisi parmi le Molybdène (Mo), le niobium (Nb) ou leurs alliages, de préférence un alliage NbZr ou un alliage NbZrC . Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, la matière fissile du cylindre droit étant choisie parmi l’oxyde d'uranium (IV) (UO 2 ), l’oxyde mixte (U, Pu)O 2 ou un mélange mixte à base d'oxyde d'uranium et d'oxydes de plutonium retraités (MOx). Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le pourcentage volumique des branches principales avec leurs ramifications étant compris entre 1 et 20 %. Aiguille de combustible nucléaire (1) s'étendant selon une direction longitudinale (XX') comprenant : une pluralité de pastilles nucléaires (6) selon l’une des revendications précédentes, empilées les unes sur les autres ; une gaine (2) en matériau transparent aux neutrons entourant l'empilement de pastilles. Aiguille (1) selon la revendication 12, la gaine étant en alliage de zirconium, notamment en Zircaloy-4 (Zr 4 ), ou en alliage M5® (ZrNbO). Utilisation d’une pastille de combustible nucléaire (6) selon l’une des revendications 1 à 11 ou d’une aiguille de combustible nucléaire (1) selon la revendication 12 ou 13 dans un réacteur à neutrons rapides (RNR), notamment refroidi par métal liquide, tel que le sodium liquide (RNR-Na),un réacteur à eau pressurisée (REP), un réacteur à eau bouillante (REB).