FR 3148491 A1 20241108 FR 2304403 A 20230502 Pastille de combustible nucléaire intégrant des inserts conducteurs thermiques sous la forme de barreaux répartis à différents azimuts et altitudes, Crayon et Assemblage de combustible nucléaire associés. L’invention consiste en une pastille (6) de combustible nucléaire, comprenant : - un cylindre droit (60) de matière fissile d’axe central (X) dont la longueur et le diamètre définissent respectivement la longueur (H) et le diamètre (Ø) de la pastille; - une pluralité d’inserts (8 ; 80, 81, 82) en matériau conducteur thermique, les inserts étant des barreaux pleins, répartis selon différentes positions azimutales et d’altitude au sein du cylindre droit, en étant distants les uns des autres. Figure pour l’abrégé : fig. 4 Pastille de combustible nucléaire intégrant des inserts conducteurs thermiques sous la forme de barreaux répartis à différents azimuts et altitudes, Crayon et Assemblage de combustible nucléaire associés. La présente invention concerne le domaine des éléments combustibles pour les réacteurs nucléaires, notamment les Réacteurs à Eau sous Pression ou Eau Pressurisée (REP) aussi désignés sous l’acronyme anglo-saxon PWR (Pressurized Water Reactor). Plus précisément, elle se situe dans le domaine des combustibles de type céramique en oxyde d’uranium (UO 2 ) ou MOX constitué d'environ 8,5 % de plutonium et 91,5 % d'uranium appauvri. L’invention vise essentiellement à améliorer les propriétés thermiques de ces combustibles, et ce tant en fonctionnement nominal, qu’en régime incidentel ou accidentel (par exemple en situation d’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP)). 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 » dont l'usage privilégie l'appellation, est un crayon de combustible nucléaire au sens de la présente invention. Bien que décrite en référence à l’application aux réacteurs REP, l’invention concerne des éléments combustibles qui peuvent être dédiés à tous types de réacteurs à vocation électrogène ou expérimentale, comme les Réacteurs à Eau Bouillante (REB), les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR), dont ceux refroidis par un métal liquide, notamment par du sodium liquide (RNR-Na). 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 (solide, liquide ou gazeux), le niveau de pression du fluide de refroidissement (par exemple atmosphérique pour les Réacteurs à Eau Bouillante et 150 bar pour les REP) … Une filière est actuellement très largement dominante industriellement dans le monde, celle des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Un REP comprend essentiellement deux composants principaux : le circuit primaire qui constitue la partie nucléaire du réacteur, et le circuit secondaire qui constitue la partie non nucléaire de celui-ci. On peut se référer par exemple à un schéma de principe sous le lien https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9acteur_%C3%A0_eau_pressuris%C3%A9e. Le circuit primaire comprend essentiellement un ensemble cuve avec les structures internes et les assemblages de combustible. Le circuit secondaire comprend quant à lui essentiellement des équipements non nucléaires pour produire de l’électricité (tuyauterie, générateurs de vapeur, turbine …). Les générateurs de vapeur sont des échangeurs thermiques qui transfèrent la chaleur issue du cœur au fluide secondaire, i.e. de l’eau dans un REP, qui se vaporise puis va se détendre dans une turbine qui constitue avec l’alternateur, le système de génération de l’énergie électrique. Pour revenir au circuit primaire, celui-ci intègre la partie clé, dénommée cœur du réacteur. Le cœur regroupe l’ensemble des assemblages, qui sont au nombre de 157 à 241 dans un REP de la filière française. Une vue schématique d’un assemblage de combustible REP avec sa grappe de contrôle comprenant des crayons de matériau absorbant neutronique est montrée à la sous le lien : http://www.cea.fr/Documents/monographies/combustibles-nucl%C3%A9aires_r%C3%A9acteurs-eau.pdf Le cœur est lui-même placé dans une cuve qui constitue la deuxième barrière de confinement du combustible et de ses déchets de fission (appelé Produits de Fission ou PF). Le cœur est refroidi par un fluide caloporteur, de l’eau à la pression de 150 bars, qui joue également le rôle de modérateur (ralentissement des neutrons), afin de favoriser la réaction de fission. Ce cœur comprend également des structures internes assurant des fonctions spécifiques, telles que le maintien des assemblages, la canalisation du fluide caloporteur…, qui ne sont pas détaillées ici. Les assemblages combustibles permettent de produire de l’énergie en tirant partie de la réaction de fission nucléaire d’un combustible composé pour faible partie de noyaux lourds fissiles - l’isotope 235 de l’uranium – ainsi que de l’isotope 238 de l’uranium qui lui n’est que fertile (il va produire du plutonium 239 par capture neutronique). Ce combustible est introduit dans un cylindre de section transversale circulaire fermé à chacune de ses deux extrémités par un bouchon. Ce cylindre est dénommé crayon et décrit plus précisément ci-après. Le crayon est étanche et constitue la première barrière de confinement. Les crayons sont regroupés par paquets et agencés suivant un réseau à pas carré. Pour les familles d’installation de la filière française appelées « paliers » de 900 MWe et 1300 MWe, le nombre est de 264 crayons auxquels s’ajoutent 25 autres tubes, qui composent alors un assemblage qui incorpore également de nombreux éléments de structure (embout inférieur, grilles de maintien, tube d’instrumentation, 24 tubes guide où coulissent 24 crayons de commande, embout supérieur, ressorts de maintien) comme montré sur la du document .pdf précité. En , on a représenté un crayon de combustible nucléaire 1 selon l'état l’art dans sa configuration d'utilisation dans un réacteur nucléaire REP, c'est-à-dire en position verticale avec les pastilles 6 vers la partie inférieure comme précisé ci-dessous. Le crayon 1 est constitué d'une gaine 2 classiquement en Zircaloy-4 (Zr4) fermée à chacune de ses extrémités par un bouchon respectivement supérieur 3 et inférieur 4 qui est soudé sur celle-ci. Ce crayon étanche est rempli d’hélium, typiquement à 25 bars à froid pour des combustibles usuels, pour contrebalancer en partie l’effet de la pression externe de 150 bars du fluide caloporteur. L'intérieur de la gaine est essentiellement divisé en deux compartiments, dont l'un 5 en partie haute, entre le haut de la colonne fissile et le bouchon supérieur 3, constitue une chambre d'expansion de gaz et l'autre loge la colonne fissile formée par l'empilement de pastilles de combustible nucléaire 6 qui s'étendent chacune selon la direction longitudinale XX' du crayon 1. La chambre d’expansion est un volume libre destiné à recevoir les Produits de Fission sous forme gazeuse, appelés usuellement Gaz de Fission (GdF). Dans l'empilement représenté, chaque pastille 6 a sensiblement la même longueur ou hauteur H. Un ressort hélicoïdal de compression 7, en général en Inconel®, est logé dans la chambre d'expansion 5 avec son extrémité inférieure en appui contre la face supérieure de la pastille 6, la plus en hauteur de l’empilement des pastilles, et son autre extrémité en appui contre le bouchon 3 supérieur. En sus du maintien de l'empilement de pastilles 6 selon l'axe longitudinal XX' et « l'absorption » au cours du temps du gonflement longitudinal des pastilles 6, l'autre fonction de ce ressort 7 est d'empêcher le flambage de la section de la gaine sur son mode d'ovalisation. Autrement dit, il doit empêcher l'extrême ovalisation de la section de la gaine. La fonction primaire d’un crayon combustible est de produire, puis de transmettre la chaleur produite par les réactions de fission au sein du combustible. A ce jour, une pastille combustible telle qu’elle est mise en œuvre usuellement dans un réacteur REP, est constituée d’oxyde d’uranium UO 2 enrichi en U 235 à environ 5%, le complément étant de l’U 238 fertile. Chaque pastille dégage, par fission nucléaire, de l’énergie sous forme de chaleur et qui varie au cours du temps en fonction de l’usure du combustible mais aussi de la variation de l’altitude des crayons de commande, de la température du circuit primaire. La puissance ainsi dissipée est également fonction, à la fois, de la position de la pastille dans le crayon, de la position du crayon dans l’assemblage, et de la position de l’assemblage dans le cœur. Cette puissance est évacuée vers la source froide du circuit primaire (l’eau primaire de refroidissement) en rencontrant un certain nombre d’obstacles thermiques que l’on peut synthétiser comme suit : un fort gradient thermique entre le centre et la périphérie de la pastille induit par la faible conductivité thermique de l’UO 2 ; un gradient thermique radial entre pastille et gaine du crayon. En effet, le joint entre pastille et gaine, entièrement gazeux (de l’hélium) en début d’irradiation devient totalement comblé au cours du second cycle. Toutefois, la rugosité de la pastille permet la présence discontinue de gaz qui n’est plus simplement de l’hélium mais comprend également des GdF : ainsi, le contact entre pastille et gaine n’est jamais parfait et crée donc, par sa résistance thermique, un gradient thermique radial; 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. L’évacuation de la chaleur en régime de fonctionnement nominal et en régime incidentel et accidentel est principalement régie par l’équation de conduction de la chaleur (ou équation de Fourier) avec dissipation d’énergie pour la pastille de combustible à laquelle s’ajoute l’équation de Newton qui modélise les échanges convectifs par un coefficient d’échange thermique entre la gaine et le fluide caloporteur. Ces équations s’appliquent dans les situations incidentelles et accidentelles, tant que la géométrie du crayon (pastilles y compris) reste intègre et que le fluide caloporteur ne s’est pas vaporisé. Des simulations numériques d’un accident de type Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) et de type réactivité RIA (acronyme anglais pour « Reactivity Insertion Accident »), ont démontré l’intérêt, du point de vue des conséquences thermiques temporelles de cet accident, d’avoir au régime nominal donc initial de cet accident, un combustible le plus froid possible à cœur. L’objectif principal est donc, en termes de sûreté, d’abaisser la thermique du crayon et plus particulièrement de la pastille de combustible. De manière générale, diminuer la température de fonctionnement d’une pastille de combustible, permet d’augmenter la densité de puissance, de diminuer le relâchement des gaz de fission, d’améliorer la sûreté des réacteurs en situations incidentelle (IPG acronyme pour Interactions Pastilles-Gaine) et accidentelle (APRP, RIA…), d’améliorer la flexibilité de pilotage d’un réacteur nucléaire, d’augmenter le taux de combustion (aussi appelé burn-up ou taux d'irradiation) maximal de ce dernier. La , issue de la publication [1] 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 UO 2 . Certaines caractéristiques pouvant difficilement être modifiées, comme par exemple le fluide primaire, le matériau de la gaine, la voie d’innovation la plus ouverte est celle de l’amélioration de la conductivité thermique de l’UO 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 UO 2 . Cette première catégorie peut elle-même être subdivisée en trois sous-catégories comme suit : - une modification de la forme du crayon, 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 du crayon 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; - une combinaison des deux sous-catégories précédentes qui est un concept désigné sous le nom de LIGHTBRIDGE : voir notamment [2]. Ce concept consiste en un crayon de forme générale hélicoïdale dont la gaine renferme un combustible métallique, de l’UZr. En sus des inconvénients explicités pour les deux sous-catégories précédentes, cette solution a pour inconvénients majeurs de fortement diminuer la masse de matière fissile, typiquement d’environ 25% et de nécessiter de sur-enrichir la pastille en combustible U5. La deuxième catégorie concerne l’amélioration de la conductivité thermique avec l’ajout d’une autre phase au sein du combustible UO 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 d’UO 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. Cette solution a pour inconvénients majeurs d’être uniquement à l’échelle d’un laboratoire et donc, de nécessiter une recherche et développement complète à faire pour le combustible, une analyse de la fabricabilité, et enfin de ne disposer d’aucun outil de modélisation; - une dispersion homogène d’une seconde phase métallique à l’échelle microscopique avec l’objectif de diminuer la conductivité thermique de la pastille UO 2 : voir notamment [1]. 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 UO 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 par les experts de la demanderesse 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 : 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, l’inventeur de la présente invention s’est fixé comme objectif de diminuer encore les gradients thermiques dans une pastille de combustible en fonctionnement. Autrement dit, il existe un besoin d’améliorer la conception thermique de pastilles de combustible nucléaire, plus particulièrement à base d’oxydes UO 2 , afin de diminuer au maximum leur température à cœur, en régime de fonctionnement nominal pour un cœur de Réacteur à Eau sous Pression (REP) tout en respectant les contraintes suivantes : - minimisation des gradients thermiques au sein d’une pastille ; - minimisation de la quantité de seconde phase apportée dans une pastille ; - absence de dégradation à tout le moins dégradation limitée du comportement neutronique ; - fabricabilité la plus aisée possible ; - montage d’une colonne de combustible le plus simple possible ; - absence des inconvénients précités de la conception montrée à la figure 1a de cette publication [3]. 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 cylindre droit de matière fissile d’axe central (X) dont la longueur et le diamètre définissent respectivement la longueur et le diamètre de la pastille; une pluralité d’inserts en matériau conducteur thermique, les inserts étant des barreaux pleins, répartis selon différentes positions azimutales et d’altitude au sein du cylindre droit, en étant distants les uns des autres. Les barreaux peuvent être rectilignes. Les inserts peuvent être avantageusement métalliques ou en alliage métallique ou céramiques. Ils peuvent être de section transversale carrée, rectangulaire, circulaire ou elliptique. Les barreaux sont de préférence répartis de manière homogène dans le volume du cylindre droit. Selon un mode de réalisation avantageux, les barreaux sont répartis équitablement dans plusieurs plans parallèles entre eux et perpendiculaires à l’axe central (X), avec les barreaux coplanaires d’un plan orientés selon un angle décalé de 90° par rapport à ceux d’un plan adjacent. Selon ce mode, chaque barreau s’étend avantageusement selon une direction radiale sécante avec l’axe central (X). Selon ce mode et une variante de configuration avantageuse, la pastille comprend, par plan, un barreau qui s’étend selon le diamètre de la pastille. Selon une autre variante de réalisation avantageuse, le pas mesuré en périphérie de pastille de répartition entre deux barreaux adjacents au sein d’un même plan est égal ou supérieur à la distance axiale entre deux plans adjacents. De préférence, la section de chaque barreau est inférieure à 1 mm², de préférence inférieure à 0,1 mm². De préférence encore, la longueur de chaque barreau est inférieure ou égale au diamètre de la pastille, soit quelques mm. De préférence, la longueur de chaque barreau est une fraction du rayon de la pastille. Chaque plan comporte un barreau traversant de longueur 2*R, et 4 barreaux de chaque longueur L définie par i=(1 :1 : n-1) (L=i*R/n), n étant un entier supérieur à 1. Avec n=2, chaque plan comporte un barreau de longueur 2*R et 4 barreaux de longueur 1R/2 (5 barreaux par plan). Avec n=3, chaque plan comporte un barreau de longueur 2*R et 4 barreaux de longueur 2R/3 et 4 barreaux de longueur 1R/3 (9 barreaux par plan, figures 4 et 4A). Avec n=4, chaque plan comporte un barreau de longueur 2*R et 4 barreaux de longueur 3R/4, 4 barreaux de longueur 2R/4 et 4 barreaux de longueur 1R/4 (13 barreaux par plan, figures 5 et 5A). Avec n=5, chaque plan comporte 17 barreaux par plan (figures 6, 6A et 7). Les barreaux sur un même plan sont répartis de manière homogène en azimut, une de leur extrémité étant sur la périphérie de la pastille, les différentes longueurs de barreaux étant alternées comme présenté sur les figures 4 à 7. De préférence encore, le ratio entre section et longueur de chaque barreau est inférieur à 0,5, de préférence inférieur à 0,1. Avantageusement, le matériau des barreaux est choisi parmi un alliage de zirconium, notamment le Zircaloy-4 (Zr 4 ), le chrome (Cr), le Molybdène (Mo). Avantageusement encore, la matière fissile du cylindre droit est 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. De préférence, le pourcentage volumique des barreaux étant compris entre 1 et 10 %. L’invention concerne également un crayon 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 un assemblage de combustible nucléaire comprenant une pluralité de crayons de combustible comme ci-avant et agencés entre eux selon un réseau. L’invention concerne également l’utilisation d’une pastille de combustible nucléaire telle que décrite précédemment ou d’un crayon de combustible comme décrit ci-avant dans un réacteur à eau pressurisée (REP), un réacteur à eau bouillante (REB), un réacteur à neutrons rapides (RNR), notamment refroidi par métal liquide, tel que le sodium liquide (RNR-Na). Ainsi, l’invention consiste essentiellement en une pastille de combustible nucléaire qui intègre, au sein d’un cylindre droit de matière fissile, une pluralité d’inserts conducteurs thermiques, notamment métalliques, sous la forme de barreaux pleins, répartis avantageusement de manière homogène dans un cylindre droit de matière combustible. Les barreaux à l’échelle de la microstructure ont une géométrie et une répartition qui minimisent le volume de la phase métallique ajoutée nécessaire par rapport au volume de la pastille, à objectif donné de réduction et d’homogénéisation de température combustible. Les barreaux ainsi insérés dans le cylindre de combustible créent des ponts thermiques qui diminuent les gradients thermiques dans la pastille, de préférence en étant orientés dans la direction du flux thermique principal, qui pour une pastille est très majoritairement radial (hormis pour la pastille d’extrémité d’une colonne fissile basse et haute), entre le cœur de la pastille et sa périphérie et la gaine. Les barreaux conducteurs thermiques sont ainsi orientés préférentiellement dans la direction radiale du cylindre droit de combustible. Ainsi, les directions des inserts sous forme de barreaux à privilégier pour des pastilles standard de forme cylindrique sont très majoritairement radiales, puis azimutales et minoritairement axiales, c’est-à-dire selon la hauteur du cylindre droit de la pastille. Les barreaux métalliques permettent de diminuer la température maximale du combustible de plusieurs centaines de degrés Celsius suivant leurs dimensions, leur matériau constitutif et leur répartition dans le cylindre droit de combustible, tout en minimisant leur pourcentage en volume ajouté et donc en maximisant le volume fissile de la pastille. Cela permet de minimiser le sur-enrichissement induit pour compenser la perte de masse fissile. Des barreaux conducteurs thermiques, peuvent être à base de molybdène, chrome ou en céramique SiC (carbure de silicium), et présenter chacun une longueur caractéristique de quelques mm, une largeur caractéristique de l’ordre de 1 mm ou moins (quelques microns), une hauteur caractéristique de l’ordre de l’ordre de 1 mm ou moins (quelques microns). Les barreaux sont introduits dans la pastille à différentes altitudes et différents azimuts. De manière générale, plus les largeur et hauteur des barreaux pourront être réduites tout en préservant leur continuité radiale, plus leur répartition dans la pastille pourra être homogène et efficace avec un gain maximisé à pourcentage de phase conductrice donné. Du fait de la direction radiale puis latérale à privilégier majoritairement pour une pastille de format cylindrique standard, une largeur plus importante de barreau est préférable à une hauteur plus importante, selon la hauteur du cylindre de combustible. Suivant la diminution et la répartition de température souhaitée, le nombre et le positionnement des barreaux conducteurs, c’est-à-dire leur densité volumique dans la pastille, seront à ajuster. En particulier, suivant la zone radiale de la pastille à refroidir, la répartition des barreaux dans la pastille sera à ajuster. Avantageusement, le pas caractéristique axial, c’est-à-dire selon la hauteur du cylindre droit, entre les barreaux est du même ordre que le pas caractéristique horizontal entre les barreaux en périphérie de la pastille, de manière à homogénéiser au maximum les températures au sein de la pastille. Ainsi, les barreaux seront préférentiellement orientés avec un angle de déphasage, d’un plan à l’autre adjacent axialement pour un maillage plus homogène de la pastille de manière à homogénéiser au maximum les températures au sein de la pastille. Par conséquent, grâce à la pluralité d’inserts sous forme de barreaux, la température de fonctionnement de la pastille combustible est diminuée de manière importante. Une pastille de combustible céramique fonctionnant à une température plus basse présente de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer : une diminution du relâchement des gaz de fission et de la fragmentation du combustible, ce qui est bénéfique pour la pression interne du crayon, une diminution du gonflement des bulles de gaz et donc du combustible, 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 visées pour l’invention sont l’ensemble des combustibles des réacteurs électrogènes (REP, BWR, RNR), ainsi que certains réacteurs expérimentaux, avec la fabrication et la mise en pile de combustibles à sûreté et performances améliorées. Pour l’aspect sûreté, une pastille selon l’invention peut être classée dans la catégorie dite de combustible E-ATF (acronyme anglo-saxon pour « Enhanced Accident Tolerant Fuel »). Les évolutions majeures de cette catégorie E-ATF apportées par l’invention sont les suivantes : une température de fonctionnement plus basse du combustible et une pression interne plus basse dans l’élément combustible ; une introduction d’inserts de conductivité thermique supérieure à l’UO 2 dans la direction du flux thermique principal, pour minimiser la proportion volumique de barreaux insérés ; une minimisation du volume de barreaux insérés introduite vis-à-vis du volume de la phase céramique de la pastille combustible par optimisation de la géométrie et de la répartition des inserts pour minimiser le sur-enrichissement induit pour compenser la perte de masse fissile ; des inserts sous la forme de barreaux à l’échelle de 1 mm ou moins (quelques microns, dépend de la résolution du procédé de fabrication) pour une efficacité maximisée, une température plus homogène dans la pastille et moins de contraintes mécaniques internes ; une recherche des ratios section/longueur d’inserts les plus petits possibles et une répartition volumique la plus homogène possible dans les zones de la pastille où l’on souhaite augmenter la conductivité thermique. 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 REP. 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’un crayon de combustible nucléaire dont la gaine loge une pastille de combustible avec des inserts métalliques non représentés selon l’invention. , les figures 4 et 4A sont des vues respectivement en perspective et en coupe transversale, issues d’une simulation numérique d’une pastille combustible selon l’invention, à inserts métalliques sous la forme de barreaux de section rectangulaire répartis selon un nombre de huit altitudes, c’est-à-dire de plans horizontaux le long de la hauteur du cylindre droit de combustible. C , les figures 5 et 5A sont des vues respectivement en perspective et en coupe transversale, issues d’une simulation numérique d’une pastille combustible selon l’invention, à inserts métalliques sous la forme de barreaux de section rectangulaire répartis selon un nombre de onze altitudes, c’est-à-dire de plans horizontaux le long de la hauteur du cylindre droit de combustible. , les figures 6 et 6A sont des vues respectivement en perspective et en coupe transversale, issues d’une simulation numérique d’une pastille combustible selon l’invention, à inserts métalliques sous la forme de barreaux de section circulaire répartis selon un nombre de douze altitudes, c’est-à-dire de plans horizontaux le long de la hauteur du cylindre droit de combustible. la est une vue issue d’une simulation numérique d’une pastille combustible selon l’invention, à inserts métalliques sous la forme de barreaux de section elliptique répartis selon un nombre de dix-huit altitudes, c’est-à-dire de plans horizontaux le long de la hauteur du cylindre droit de combustible. la illustre sous forme d’une droite, la conductivité thermique équivalente optimale en fonction du pourcentage de phase d’insert en Mo par rapport à un combustible UO 2 , pour une conductivité thermique Mo de 100 W/m/K et UO 2 de 3 W/m/K. la illustre sous forme de courbes, le gain en température maximale dans une pastille de combustible en fonction du pourcentage volumique de phase de métal Mo insérée dans une matrice de combustible UO 2 pour une pastille de type de celles destinées à fonctionner dans un réacteur REP, respectivement à 373W/cm et 600W/cm. 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 modélisées, par un logiciel commercialisé sous l’appellation « Scilab » qui permet de dessiner les pastilles avec inserts. 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. Une pastille 6 selon l’invention d’axe central (X) comprend un cylindre droit 60 de matière combustible oxyde dégageant de la puissance thermique et une pluralité d’inserts métalliques sous la forme de barreaux répartis 8 de manière homogène selon différentes positions azimutales et d’altitude au sein du cylindre droit 60 en étant distants les uns des autres. Plus précisément, les barreaux 8 sont droits et répartis équitablement dans plusieurs plans parallèles entre eux et perpendiculaires à l’axe central (X), avec les barreaux coplanaires d’un plan orientés selon un angle décalé de 90° par rapport à ceux d’un plan adjacent. Les figures 4 à 7 illustrent quatre variantes de réalisation d’une pastille 6 selon l’invention pour une densité volumique de barreaux métalliques 8 formant les inserts répartis de manière homogène à 4,8% (figures 4 et 5) et à 2,5% (figures 6 et 7) par rapport au volume total de la pastille 6. Les sections transversales de ces barreaux 8 sont respectivement rectangulaire égale à 0,6x0,3mm ( ), rectangulaire égale à 0,5x0,2mm ( ), circulaire égale à 0,2x0,2mm ( ), et elliptique 0,5x0,05mm ( ). Des procédés de fabrication additive peuvent être mis en œuvre pour réaliser ce type de géométries d’inserts. La concerne une variante à un nombre de huit altitudes, ou plans horizontaux, de barreaux métalliques 8. Dans chaque plan horizontal, sont agencés à distance les uns des autres, un barreau 80 qui s’étend sur tout un diamètre Ø du cylindre droit, des barreaux 81 de longueur intermédiaire qui s’étendent radialement sur une longueur de 2/3 du rayon R du cylindre droit, et des barreaux 82 de plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 1/3 du rayon R du cylindre droit. Dans cet exemple illustré, les barreaux 80, 81, 82 coplanaires sont distants les uns des autres d’un angle de 360°/10=36°. D’un plan à celui adjacent, les barreaux 8 sont déphasés d’un angle de 90°, c’est-à-dire que le barreau 80 d’un plan forme un angle de 90° avec le barreau 80 adjacent en vue de face de la pastille. Plus précisément, l’équation de répartition des barreaux selon les figures 4 et 4A est la suivante. Longueur des barreaux L est définie par : L=i*R/n, c’est-à-dire L prend les valeurs i*R/n où i=(1 : 1 : n-1), i prenant les valeurs comprises en 1 et n-1 avec un incrément de 1. Dans la configuration des figures 4 et 4A, n=3, ce qui donne un barreau de longueur 2*R, 4 barreaux de longueur 2R/3 et 4 barreaux de longueur 1R/3 soit 9 barreaux par plan. L’angle entre les barreaux d’un même plan de 360° divisé par 1+9 barreaux est donc égal à 36°. La répartition des barreaux dans le sens horaire dans chaque hémisphère délimité par le barreau de longueur 2R est : court (R/3) – long (2R/3) – long (2R/3) – court (R/3). Le pas (distance) entre les plans est égal à la hauteur de la pastille divisée par le nombre de plans, soit ici 14mm/8=1,75mm. La position axiale du plan le plus bas est de 1.75mm/2=0,875mm, la position axiale du plan le plus haut est de 14-0,875=13,125mm. Ainsi lorsque les pastilles sont empilées dans le crayon ( ), le pas (distances) entre plans est homogène sur toute la hauteur de la colonne de combustible. Les figures 5 et 5A concernent une variante à un nombre de onze altitudes, ou plans horizontaux, de barreaux métalliques 8. Dans chaque plan horizontal, sont agencés à distance les uns des autres, un barreau 80 qui s’étend sur tout un diamètre Ø du cylindre droit, des barreaux 83 de longueur intermédiaire qui s’étendent radialement sur une longueur de ¾ du rayon R du cylindre droit, des barreaux 81 de plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 2/4 du rayon R du cylindre droit, et des barreaux 82 de encore plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de ¼ du rayon R du cylindre droit. Dans cet exemple illustré, les barreaux 80, 81, 82, 83 coplanaires sont distants les uns des autres d’un angle de 360°/1+13 barreaux= 27,7°. D’un plan à celui adjacent, les barreaux 8 sont déphasés d’un angle de 90°, c’est-à-dire que le barreau 80 d’un plan forme un angle de 90° avec le barreau 80 adjacent en vue de face de la pastille. Plus précisément, l’équation de répartition des barreaux selon la est la suivante. La longueur des barreaux L est définie toujours avec i=(1 : 1 : n-1) (L=i*R/n), avec n=4, ce qui donne un barreau de longueur 2*R et 4 barreaux de longueur 3R/4 et 4 barreaux de longueur 2R/4 et 4 barreaux de longueur R/4 soit 13 barreaux par plan. Angle entre les barreaux d’un même plan de 360° divisé par 1+13 barreaux = 27,7°. La répartition des barreaux dans le sens horaire dans chaque hémisphère délimité par le barreau de longueur 2R est : court (R/4) – long (3R/4) – moyen (2R/4) – moyen (2R/4) – long (3R/4) – court (R/4). Le pas (distance) entre les plans est égale à la hauteur de pastille divisé par le nombre de plans, soit ici 14mm/11=1,27mm. La position axiale du plan le plus bas est de 1.27mm/2=0.64mm, la position axiale du plan le plus haut est de 14-0.64=13.36mm. Ainsi lorsque les pastilles sont empilées dans le crayon ( ), le pas (distances) entre plans est homogène sur toute la hauteur de la colonne de combustible. Les figures 6 et 6A concernent une variante à un nombre de douze altitudes, ou plans horizontaux, de barreaux métalliques 8. Dans chaque plan horizontal, sont agencés à distance les uns des autres, un barreau 80 qui s’étend sur tout un diamètre Ø du cylindre droit, des barreaux 83 de longueur intermédiaire qui s’étendent radialement sur une longueur de 4/5 du rayon R du cylindre droit, des barreaux 81 de plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 3/5 du rayon R du cylindre droit, des barreaux 82 de encore plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 2/5 du rayon R du cylindre droit et des barreaux 84 de encore plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 1/5 du rayon R du cylindre droit. Dans cet exemple illustré, les barreaux 80, 81, 82, 83, 84 coplanaires sont distants les uns des autres d’un angle de 360/(1+17)=20,0°. D’un plan à celui adjacent, les barreaux 8 sont déphasés d’un angle de 90°, c’est-à-dire que le barreau 80 d’un plan forme un angle de 90° avec le barreau 80 adjacent en vue de face de la pastille. Plus précisément, l’équation de répartition des barreaux selon la est la suivante. La longueur des barreaux L est toujours définie avec i=(1 : 1 : n-1) (L=i*R/n), avec n=5, ce qui donne un barreau de longueur 2*R, 4 barreaux de longueur 4R/5, 4 barreaux de longueur 3R/5, 4 barreaux de longueur 2R/5 et 4 barreaux de longueur R/5 soit 17 barreaux par plan. Angle entre les barreaux d’un même plan de 360° divisé par 1+17 barreaux = 20,0°. La répartition des barreaux dans le sens horaire dans chaque hémisphère délimité par le barreau de longueur 2R est : court (R/5) - long (4R/5) – moyen court (2R/5) – moyen long (3R/5) – moyen long (3R/5) - moyen court (2R/5) – long (4R/5) - court (R/5). Le pas (distance) entre les plans est égal à la hauteur de la pastille divisée par le nombre de plans soit ici 14mm/12=1,17mm. La position axiale du plan le plus bas est de 1.17mm/2=0.58mm, la position axiale du plan le plus haut est de 14-0.58=13.42mm. Ainsi lorsque les pastilles sont empilées dans le crayon ( ), le pas (distances) entre plans est homogène sur toute la hauteur de la colonne de combustible. La concerne une variante à un nombre de dix-huit altitudes, ou plans horizontaux, de barreaux métalliques 8. Dans chaque plan horizontal, sont agencés à distance les uns des autres, un barreau 80 qui s’étend sur tout un diamètre Ø du cylindre droit, des barreaux 83 de longueur intermédiaire qui s’étendent radialement sur une longueur de 4/5 du rayon R du cylindre droit, des barreaux 81 de plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 3/5 du rayon R du cylindre droit, des barreaux 82 de encore plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 2/5 du rayon R du cylindre droit et des barreaux 84 de encore plus petite longueur qui s’étendent radialement sur une longueur de 1/5 du rayon R du cylindre droit. Dans cet exemple illustré, les barreaux 80, 81, 82, 83, 84 coplanaires sont distants les uns des autres d’un angle de 20°. D’un plan à celui adjacent, les barreaux 8 sont déphasés d’un angle de 90°, c’est-à-dire que le barreau 80 d’un plan forme un angle de 90° avec le barreau 80 adjacent en vue de face de la pastille. Plus précisément, l’équation de répartition des barreaux selon la est la suivante. La longueur L des barreaux est toujours définie par : i=(1 :1 : n-1) (L=i*R/n), avec n=5, ce qui donne un barreau de longueur 2*R, 4 barreaux de longueur 4R/5, 4 barreaux de longueur 3R/5, 4 barreaux de longueur 2R/5 et 4 barreaux de longueur R/5 soit 17 barreaux par plan. Angle entre les barreaux d’un même plan de 360° divisé par 1+17 barreaux = 20,0°. La répartition des barreaux dans le sens horaire dans chaque hémisphère délimité par le barreau de longueur 2R est : court (R/5) - long (4R/5) – moyen court (2R/5) – moyen long (3R/5) – moyen long (3R/5) - moyen court (2R/5) – long (4R/5) - court (R/5). Le pas (distance) entre les plans est égal à la hauteur de la pastille divisée par le nombre de plans soit ici 14mm/18=0.78mm. La position axiale du plan le plus bas est de 0.78mm/2=0.39mm, la position axiale du plan le plus haut est de 14-0.39=13.61mm. Ainsi lorsque les pastilles sont empilées dans le crayon ( ), le pas (distances) entre plans est homogène sur toute la hauteur de la colonne de combustible. La illustre sous forme de droite, le gain théorique attendu par la conductivité thermique équivalente optimale en fonction du pourcentage d’inserts 8 en molybdène, par rapport à un combustible 60 en UO 2 , pour une conductivité thermique de Mo de 100 W/m/K et UO 2 de 3 W/m/K. Ainsi, en prenant comme hypothèse que des barreaux 8 en Mo sont parfaitement répartis et homogène radialement, et que la phase combustible est de l’UO 2 , les calculs réalisés de résistances thermiques en parallèle des pastilles conformes à l’invention, comme illustrées sur les figures 4 à 7, montrent que la conductivité thermique équivalente du combustible dans la direction radiale de la pastille peut être augmentée d’un facteur ~2 sur la conductivité thermique équivalente pour 3% de barreaux métalliques 8, ou encore d’un facteur ~4 sur la conductivité thermique équivalente pour 10% de barreaux métalliques 8. Ainsi, pour une puissance linéique de 373 W/cm dans une pastille REP, la température maximale du combustible est d’environ 1100°C pour une pastille de format cylindrique standard en UO 2 . Comme illustré à la , avec des barreaux métalliques 8 en Mo selon l’invention insérés : - dans une proportion de 3%, les températures maximales dans le combustible sont de l'ordre de 850°C (gain de 350°C) ; - dans une proportion de 10%, les températures maximales dans le combustible de l'ordre de 550°C (gain de 550°C). Pour une puissance linéique de 600W/cm, proche de la limite technologique (limite à fusion) pour des pastilles destinées à fonctionner dans un réacteur REP, le gradient de température dans la pastille dépasse 1100°C pour une pastille en UO 2 selon l’état de l’art. Avec des barreaux 8 en Mo insérés selon l’invention, le gradient de température serait de l’ordre de 600°C pour une proportion de 3% Mo et de 300°C pour 10%, soit des gains en température maximale de combustible et donc sur la marge à fusion du combustible supérieurs respectivement à 550°C et 850°C. Les gains indiqués ci-avant, en référence aux figures 8 et 9 sont théoriques. Dans la pratique, pour des pastilles selon l’invention telles qu’illustrés aux figures 4 à 7, les premières simulations thermiques réalisées montrent des gains plus faibles, une proportion réelle de barreaux insérés de 3,5 % correspondant à une conductivité thermique équivalente de l’ordre de 6 à 8 W/m.K. De manière générale, pour tendre vers la limite théorique ( ), il faut rechercher des ratios section/longueur d’inserts les plus petits possibles et une répartition volumique la plus homogène possible. La répartition volumique pourra être ajustée suivant la spécification recherchée. Par exemple, contrer un RIA demande une concentration en barreaux 8 plus importante en périphérie de pastille où se fait le dépôt principal d’énergie. 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. 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]: Malone J. – Totemeier A. – Shapiro N. – Vaidyanathan S. - Lightbridge Corp – “ Advanced Metallic Fuel for LWRs ”, Nuclear Technology, 181:3 437-442 Nov 2012. [3]: Medvedev P.G. & Mariani R.D. – “ Conductive inserts to reduce nuclear fuel ”, JNM 531 (2020) 151966. [4]: H. Bailly & al. – “ Le combustible nucléaire des réacteurs à eau sous pression et des réacteurs à neutrons rapides ” – Eyrolles 1996 Pastille (6) de combustible nucléaire, comprenant : un cylindre droit (60) de matière fissile d’axe central (X) dont la longueur et le diamètre définissent respectivement la longueur (H) et le diamètre (Ø) de la pastille; une pluralité d’inserts (8 ; 80, 81, 82) en matériau conducteur thermique, les inserts étant des barreaux pleins, répartis selon différentes positions azimutales et d’altitude au sein du cylindre droit, en étant distants les uns des autres. Pastille (6) selon la revendication 1, les barreaux étant rectilignes. Pastille (6) selon l’une des revendications 1 ou 2, les barreaux étant de section transversale carrée, rectangulaire, circulaire ou elliptique. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, les barreaux étant répartis de manière homogène dans le volume du cylindre droit. Pastille (6) selon la revendication 4, les barreaux étant répartis équitablement dans plusieurs plans parallèles entre eux et perpendiculaires à l’axe central (X), avec les barreaux coplanaires d’un plan orientés selon un angle décalé de 90° par rapport à ceux d’un plan adjacent. Pastille (6) selon la revendication 5, chaque barreau s’étendant selon une direction radiale sécante avec l’axe central (X). Pastille (6) selon la revendication 5 ou 6, comprenant, par plan, un barreau qui s’étend selon le diamètre (Ø) de la pastille. Pastille (6) selon l’une des revendications 5 à 7, le pas de répartition mesuré en périphérie de pastille entre deux barreaux adjacents au sein d’un même plan étant égal ou supérieur à la distance axiale entre deux plans adjacents. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, la section de chaque barreau étant inférieure à 1 mm², de préférence inférieure à 0,1 mm² . Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, la longueur de chaque barreau étant inférieur ou égal au diamètre de la pastille. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le ratio entre section et longueur de chaque barreau étant inférieur à 0,5, de préférence inférieur à 0,1. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le matériau des barreaux étant choisi parmi un alliage de zirconium, notamment le Zircaloy-4 (Zr 4 ), le chrome (Cr), le Molybdène (Mo). 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 barreaux étant compris entre 1 et 10 %. Crayon 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. Crayon (1) selon la revendication 15, la gaine étant en alliage de zirconium, notamment en Zircaloy-4 (Zr 4 ), ou en alliage M5® (ZrNbO). Assemblage de combustible nucléaire comprenant une pluralité de crayons de combustible selon l'une quelconque des revendications 15 ou 16 et agencés entre eux selon un réseau. Utilisation d’une pastille de combustible nucléaire (6) selon l’une des revendications 1 à 14 ou d’un crayon de combustible nucléaire (1) selon la revendication 15 ou 16 dans un réacteur à eau pressurisée (REP), un réacteur à eau bouillante (REB), un réacteur à neutrons rapides (RNR), notamment refroidi par métal liquide, tel que le sodium liquide (RNR-Na).