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FR3150632A1 - Nuclear fuel pellet incorporating a thermally conductive insert in the form of ramified branches distributed from a hollowed-out inner cylinder towards the outside of the pellet. - Google Patents

Nuclear fuel pellet incorporating a thermally conductive insert in the form of ramified branches distributed from a hollowed-out inner cylinder towards the outside of the pellet. Download PDF

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FR3150632A1
FR3150632A1 FR2306915A FR2306915A FR3150632A1 FR 3150632 A1 FR3150632 A1 FR 3150632A1 FR 2306915 A FR2306915 A FR 2306915A FR 2306915 A FR2306915 A FR 2306915A FR 3150632 A1 FR3150632 A1 FR 3150632A1
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FR
France
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pellet
branches
fuel
ramifications
nuclear fuel
Prior art date
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Pending
Application number
FR2306915A
Other languages
French (fr)
Inventor
Nathalie CHAUVIN
Marc JOSIEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to PCT/EP2024/068258 priority patent/WO2025003408A1/en
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Abstract

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 Nuclear fuel pellet incorporating a thermally conductive insert in the form of branched branches distributed from a hollowed-out inner cylinder toward the outside of the pellet. The invention essentially consists of a nuclear fuel pellet that incorporates, within a straight cylindrical ring of fissile material, a thermal conductor, in particular metallic, in the form of branched main branches that extend from the inside of the ring toward the outside, advantageously distributed homogeneously within the ring. The insert formed by its branches and ramifications at the macrostructure scale makes it possible to reduce the maximum temperature of the fuel by several hundred degrees Celsius depending on its dimensions, its constituent material and the distribution of its branches in the straight cylindrical fuel ring. Figure for the abstract: fig.4

Description

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.Nuclear fuel pellet incorporating a thermally conductive insert in the form of ramified branches distributed from a hollowed-out inner cylinder towards the outside of the pellet.

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).The present invention relates to the field of fuel elements for nuclear reactors, in particular Fast Neutron Reactors (FNRs), including those cooled by a liquid metal, in particular by liquid sodium (FNR-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)O2ou MOX (acronyme pour «oxyde mixte »).More specifically, it is located in the field of ceramic fuels made from uranium or uranium and plutonium oxide (U, Pu) O2 or MOX (acronym for “mixed oxide”).

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).The invention essentially aims to improve the thermal properties of these fuels as well as the reduction of gaseous swelling, both in nominal operation and in incidental or accidental conditions (for example in situations of increase in power or loss of refrigerant).

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.By "nuclear reactors", throughout the application, is understood the usual meaning of the term to date, namely power plants for producing energy from nuclear fission reactions using fuel elements in which fissions occur which release the heat power, the latter being extracted from the elements by heat exchange with a heat transfer fluid which ensures their cooling.

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.By "nuclear fuel rod", throughout the application, we understand the official meaning defined for example, in the dictionary of Nuclear Sciences and Technology, namely a narrow tube of small diameter, closed at both ends, constituting the core of a nuclear reactor and containing fissile material. Thus, a "nuclear fuel needle" is a nuclear fuel rod but whose terminology is used for fast neutron reactors.

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 3èmeet 4èmegénération.Although described with reference to the application to Fast Neutron Reactors (FNR), including those cooled by a liquid metal, in particular by liquid sodium (FNR-Na) but also lead, lead-bismuth, etc., the invention relates to fuel elements which can be dedicated to all types of reactors for electrogenic, calogenic or experimental purposes, such as Boiling Water Reactors (BWR), Pressurized Water Reactors (PWR) and all advanced 3rd and 4th generation reactors.

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 …Nuclear reactors that use fission energy to produce heat can be classified into several different categories depending on their characteristics: the form of final energy produced (electricity, heat, etc.), the type of neutron flux (fast neutrons or thermalized neutrons), the coolant used (liquid metal, water, etc.), the physical state of the coolant (liquid or gaseous), the pressure level of the coolant, etc.

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.Fuel assemblies intended for use in liquid sodium-cooled fast neutron reactors (RNR-Na) have a specific mechanical structure, in particular to allow liquid sodium to pass through them.

On a représenté en figures 1 et 1A, un assemblage combustible 1 classiquement utilisé dans un réacteur nucléaire RNR-Na.Figures 1 and 1A show a fuel assembly 1 conventionally used in an RNR-Na nuclear reactor.

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.Such an assembly 1 of elongated shape along a longitudinal axis X firstly comprises a tube or casing 10 of hexagonal section, closed and sealed around the perimeter, the upper portion 11 of which forms the gripping head of the assembly and houses an upper neutron protection device (PNS), and the central portion 12 of which envelops fuel needles 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.The portions 11, 12 form the same tubular envelope 10 or housing of identical hexagonal section over its entire height. The head 11 of the assembly has a central opening 110 opening into it and used for its handling.

La portion centrale 12 d’un assemblage comprend une pluralité d’aiguilles 100 de combustible nucléaire.The central portion 12 of an assembly comprises a plurality of nuclear fuel needles 100.

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.Each needle 100 is in the form of a sealed cylindrical steel sheath tube closed at both ends by a welded cap inside which is stacked a column 14 of fissile fuel pellets within which the nuclear reactions that release heat occur. All the columns 14 define what is usually called the fissile zone which is approximately located halfway up an assembly 1. The sheath of the needles 100 thus constitutes the first containment barrier whose integrity it is very important to preserve by protecting it from external aggressions such as mechanical shocks/constraints or excessive temperatures.

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.
This power is evacuated towards the cold source of the primary circuit (for example the liquid cooling sodium) by encountering a certain number of thermal resistances which can be synthesized as follows:
  • the low thermal conductivity of the fissile material consisting of an oxide ceramic which leads to a strong thermal gradient between the center and the periphery of the pellet;
  • the thermal resistance of the clearance between the pellet and the needle sheath;
  • radial heat conduction through the sheath;
  • the resistance due to radial convective exchange between the external face of the sheath and the heat transfer fluid.

La , issue de la publication [6] donne l’ordre de grandeurs des températures dans une pastille de combustible en régime de fonctionnement nominal.There , from publication [6] gives the order of magnitude of the temperatures in a fuel pellet in nominal operating mode.

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)O2. 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)O2.There are different ways to improve the power evacuation function of a (U,Pu)O 2 fuel pellet or pellet stack. Since some characteristics can hardly be modified, such as the primary fluid or the cladding material, the most open innovation path is to improve the thermal conductivity of the fuel, for example (U,Pu)O 2 .

Cette voie peut être divisée en deux catégories qui ont été explorées.This path can be divided into two categories which have been explored.

La première catégorie concerne l’amélioration de la conductivité thermique sans ajout d’une autre phase au sein du combustible, par exemple (U,Pu)O2.The first category concerns the improvement of thermal conductivity without adding another phase within the fuel, for example (U,Pu)O 2 .

Cette première catégorie peut elle-même être subdivisée en trois sous-catégories comme suit :This first category can itself be subdivided into three subcategories as follows:

- 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;- a modification of the shape of the needle, in order to increase the exchange surface between the hot source and the cold source. This modification is located by definition at the level of each rod of a fuel assembly. This solution has the major drawbacks of requiring a new design of the assembly and of having a possible impact on the manufacturability of the needle and the performance of the assembly;

- 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;- a change in the nature of the fuel by switching from a combustible oxide to a better heat-conducting fuel, for example a metallic fuel. This modification is localized by definition at the level of each fuel pellet. This solution has the major drawbacks of inducing different behavior in the reactor, requiring research and development to develop/qualify this new fuel, developing new manufacturing processes and having to redefine the downstream fuel cycle;

La deuxième catégorie concerne l’amélioration de la conductivité thermique avec l’ajout d’une autre phase au sein du combustible (U,Pu)O2. L’ajout est localisé par définition au niveau de chaque pastille combustible.The second category concerns the improvement of thermal conductivity with the addition of another phase within the fuel (U,Pu)O 2 . The addition is localized by definition at the level of each fuel pellet.

Cette deuxième catégorie peut elle-même être subdivisée en trois sous-catégories comme suit :This second category can itself be subdivided into three subcategories as follows:

- une dispersion homogène d’un matériau, tel que le diamant, le graphène…, de conductivité thermique supérieure à la céramique (U,Pu)O2à 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.- a homogeneous dispersion of a material, such as diamond, graphene, etc., with a thermal conductivity higher than ceramic (U,Pu)O 2 at the nanometer scale to the micron scale. This solution does not seem relevant to date from the point of view of its thermal behavior. The inventors believe, however, that it is difficult to decide on this solution due to a lack of information and knowledge.

- 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)O2ou 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;- a homogeneous dispersion of a second metallic phase at the microscopic scale with the objective of increasing the equivalent thermal conductivity of the pellet: see in particular [1]. The random dispersion of this second metallic phase in the ceramic (U, Pu)O 2 or in MOX has also been considered for consistency with the standard powder mixing process for manufacturing. It has been shown that the resulting microstructure of a fuel pellet was not effective in improving thermal properties. In addition, this solution has the major drawbacks of inducing a manufacturing difficulty and requiring the finalization and validation of existing modeling tools;

- 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)O2vers la source froide. Cette seconde phase métallique se caractérise par un insert métallique au sein de la matière fissile de la pastille.- a heterogeneous dispersion of a second metallic phase on a macroscopic scale, i.e. on a scale of a tenth of a millimeter or less, with the aim of promoting the heat flow from the (U,Pu)O 2 pellet to the cold source. This second metallic phase is characterized by a metallic insert within the fissile material of the pellet.

Un tel insert métallique est décrit sous deux conceptions distinctes dans la publication [3].Such a metal insert is described in two distinct designs in the 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.One such design, shown in Figure 1a of this publication [3], consists of a set of six thin fins, uniformly distributed in an angular distribution like the spokes of a bicycle wheel. This design effectively improves the thermal performance of the fuel pellet in the center.

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.However, the analysis carried out on this design shows that if, indeed, the choice of the structural characteristics of the fins makes it possible to achieve a significant reduction in the temperature of the pellet at the core, on the other hand this choice potentially generates several drawbacks which could have very annoying consequences on the behavior of the pellet, or even completely call into question the relevance of the 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.
The main potentially negative consequences are as follows in a REP reactor:
  • a hypothetical guarantee of the thermal function under irradiation and of the mechanical resistance under irradiation of the fins given their low thickness;
  • mechanical resistance of the sheath not guaranteed, with high and local temperature gradients on it, typically from 100 to 300 °C/mm, which are due to the contacts of each fin with the sheath;
  • the lack of certainty of not aggravating the phenomenon of Interaction Pellet Sheath with Stress Corrosion (IPG-CSC);
  • a level of corrosion likely to be present on the sheath during irradiation;
  • a manufacturability of metal fins in a ceramic fuel not demonstrated, in particular with the possibility of mounting the fins.

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.To overcome the aforementioned drawbacks of the design shown in Figure 1a of publication [3], the applicant proposed in patent applications WO2022/223387, WO2022/223504, WO2022/223510, different forms of metal insert in substance respectively, with a four-arm cross-section, and with solid disc(s) and solid rod.

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)O2ou 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.
If these solutions appear satisfactory for REP reactors, the inventors of the present invention have set themselves the objective of proposing a fuel pellet, specifically designed for fast neutron reactors, and therefore to respect the following constraints:
  • to improve the thermal conductivity of a ceramic (U,Pu) O2 or MOX fuel pellet, as a fissile material, and to maintain high fusion temperatures;
  • reduce the fuel-cladding reaction which produces a reduction in the thickness of the cladding through corrosion;
  • increase the release of fission gases and helium athermally when diffusion is not activated by the thermal gradient (low power). The objective of avoiding the retention of gases in the fuel makes it possible to eliminate the risk of fuel melting and/or rupture of the cladding by thermally activated gas swelling during a power transient such as an untimely control rod rise.

Autrement dit, il existe un besoin d’améliorer la conception thermique de pastilles de combustible nucléaire, plus particulièrement à base d’oxydes (U,Pu)O2ou 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.In other words, there is a need to improve the thermal design of nuclear fuel pellets, particularly based on oxides (U,Pu) O2 or MOX, in order to reduce their core temperature as much as possible, in nominal operating mode, particularly for a Fast Neutron Reactor (FNR) core, while respecting the aforementioned constraints.

Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.The aim of the invention is to meet at least part of this need.

Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, une pastille de combustible nucléaire, comprenant :To this end, the invention relates, in one of its aspects, to a nuclear fuel pellet, comprising:

- 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;- a straight cylindrical ring of fissile material with a central axis delimited by an inner straight cylinder and an outer straight cylinder whose length defines the length of the pellet, the inner straight cylinder being hollowed out and defining the inner diameter, the outer straight cylinder defining the outer diameter of the pellet;

- 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.- an insert made of thermally conductive material, in the form of at least three branched main branches which extend over all or part of the length of the pellet and radially from the periphery of the hollowed-out inner straight cylinder towards the outside of the pellet, each of the main branches being branched symmetrically or not at least p times, p being greater than or equal to 1; the number n of symmetrical or not branches per main branch and per branch being equal to n, n being greater than or equal to 2; the main branches with their branches being regularly distributed in the volume of the ring and spaced apart from each other.

Dans le cadre de l’invention, la longueur de la pastille signifie sa hauteur.For the purposes of the invention, the length of the pellet means its height.

Avantageusement, le nombre p est compris entre 1 et 7, le nombre n est égal à 2.Advantageously, the number p is between 1 and 7, the number n is equal to 2.

Les branches principales avec leurs ramifications peuvent être rectilignes ou incurvées. Un insert peut être avantageusement métallique ou en alliage métallique ou céramique.The main branches with their ramifications can be straight or curved. An insert can advantageously be metallic or made of a metal or ceramic alloy.

Les branches principales avec leurs ramifications sont de section transversale carrée, rectangulaire, circulaire ou elliptique.The main branches with their ramifications are square, rectangular, circular or elliptical in cross section.

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.The branches and ramifications may extend along the entire length of the pellet or be distributed along planes transverse to the central axis, being separated from each other by an axial distance, preferably constant over the length/height of the pellet.

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.Throughout the description, the branch or ramification section referred to is that calculated from the diameter of the outer right cylinder or from the thickness of the vertical plane.

Selon un mode de réalisation avantageux, chacune des branches principales et de ses ramifications s’étend radialement jusqu’au diamètre extérieur de la pastille.According to an advantageous embodiment, each of the main branches and its ramifications extends radially to the outer diameter of the pellet.

De préférence, le ratio entre la section de chaque ramification et celle de chaque branche principale est inférieur ou égal à 1.Preferably, the ratio between the section of each branch and that of each main branch is less than or equal to 1.

De préférence encore, l’épaisseur de chaque branche principale est inférieure à 0,5 mm, de préférence inférieure 0,1 mm.More preferably, the thickness of each main branch is less than 0.5 mm, preferably less than 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.More preferably, the ratio between section and length of each of the main branches and its ramifications being less than 0.5, preferably less than 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.Advantageously, the material of the main branches and its ramifications is chosen from molybdenum (Mo), niobium (Nb) or their alloys, preferably an NbZr alloy or an NbZrC alloy. An NbZr or NbZrC alloy has a melting temperature equal to 2742K, very close to that of a MOX fissile material which is between 2700 and 3000K depending on the Pu content and the O/M. Nb as well as the NbZr or NbZrC alloy trap oxygen and are transparent to neutrons in the fast spectrum.

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.Advantageously, the fissile material of the right cylinder is chosen from uranium (IV) oxide (UO2), mixed oxide (U, Pu)O2 or a mixed mixture based on uranium oxide and reprocessed plutonium oxides (MOx), or any other fissile ceramic.

De préférence, le pourcentage volumique des branches principales avec leurs ramifications est compris entre 1 et 20 %.Preferably, the volume percentage of the main branches with their ramifications is between 1 and 20%.

L’invention concerne également une aiguille de combustible nucléaire s'étendant selon une direction longitudinale (XX') comprenant :The invention also relates to a nuclear fuel needle extending in a longitudinal direction (XX') comprising:

- une pluralité de pastilles nucléaires telles que décrites précédemment, empilées les unes sur les autres ;- a plurality of nuclear pellets as described above, stacked on top of each other;

- une gaine en matériau transparent aux neutrons entourant l'empilement de pastilles.- a sheath made of neutron-transparent material surrounding the stack of pellets.

Avantageusement, la gaine est en alliage de zirconium, notamment en Zircaloy-4 (Zr4), ou en alliage M5®(ZrNbO).Advantageously, the sheath is made of zirconium alloy, in particular Zircaloy-4 (Zr 4 ), or M5 ® alloy (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).The invention also relates to the use of a nuclear fuel pellet as described above or of a fuel needle as described above in a fast neutron reactor (RNR), in particular cooled by liquid metal, such as liquid sodium (RNR-Na), a pressurized water reactor (PWR), a boiling water reactor (BWR).

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.Thus, the invention essentially consists of a nuclear fuel pellet which integrates, within a straight cylindrical ring of fissile material, a thermal conductor, in particular metallic, in the form of ramified main branches which extend from the inside of the ring towards the outside, advantageously distributed in a homogeneous manner within the ring.

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.The insert formed by its branches and ramifications at the macrostructure scale makes it possible to reduce the maximum temperature of the fuel by several hundred degrees Celsius depending on its dimensions, its constituent material and the distribution of its branches in the straight cylindrical fuel ring.

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.Typically, the macrostructure of the insert with its ramified branches allows heat to be evacuated thanks to the thermal conductivity of the chosen constituent material which can be approximately 20 to 30 times greater than that of a MOX fuel.

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.Thanks to its thermal properties, typically about 20 to 30 times greater than those of MOX, and the arrangement of its ramified branches in the fissile matrix, the metal insert will increase heat evacuation. A calculation of the equivalent thermal conductivity by a finite element type tool can illustrate this gain in thermal performance.

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.The advantageously chosen metal, NbZr(C), being refractory, the melting temperature of the insert is almost as high as that of the fissile phase, typically greater than 2700 K. The differential thermal expansion between the fissile material, in particular MOX and the metal of the insert must be taken into account during manufacturing and then during 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.When the insert is made of Nb or NbZr or NbZrC, the niobium will trap the oxygen atoms released following the fission reactions and therefore reduce or even eliminate corrosion of the needle sheath.

Le principal produit de réaction entre Nb et O, Nb2O5, est connu pour être poreux. L’interface entre l’insert et le MOX va donc évoluer avec la formation d’un joint poreux Nb2O5, 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).The main reaction product between Nb and O, Nb 2 O 5 , is known to be porous. The interface between the insert and the MOX will therefore evolve with the formation of a porous Nb 2 O 5 joint, which will constitute a diffusion path for fission gases and helium during irradiation, regardless of the thermal regime of the pellet (athermal diffusion).

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.To optimize the macrostructure of the insert in the pellet, the thermal properties of each of the materials and the constraints in terms of fuel element design will have to be taken into account.

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.This optimization should lead to specifying the geometric aspect of the macrostructure to aim for the highest performances, depending on the type of reactor envisaged.

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.
A ceramic fuel pellet with a higher equivalent thermal conductivity has many advantages, including:
  • a reduction in the thermal gradient in the pellet which reduces its fragmentation and the diffusion of species
  • a decrease in the maximum and overall temperature of the pellet,
  • a reduction in the swelling of gas bubbles and therefore of the pellet,
  • a decrease in thermal expansion,
  • a decrease in the mechanical interaction between the pellet and the cladding, which is beneficial for the cladding diametrical deformation and the cladding strain energy density,
  • a gain in margins on the various safety criteria mentioned above, in particular on the fuel fusion limit, which thus increases the operating margins of a nuclear reactor in particular in order to be more flexible in control, and to obtain a gain in maximum power or even in maximum burn-up, in particular in order to improve the control capacity at high burn-up.

Les applications industrielles principalement visées pour l’invention sont l’ensemble des réacteurs de 4ème génération à spectre neutronique rapide.The industrial applications mainly targeted for the invention are all 4th generation reactors with fast neutron spectrum.

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.Other advantages and characteristics of the invention will become more apparent upon reading the detailed description of examples of implementation of the invention given for illustrative and non-limiting purposes with reference to the following figures.

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. there is a schematic view in longitudinal section of a nuclear fuel rod according to the state of the art, as implemented in a PWR type nuclear reactor.

la est une vue en coupe transversale de la . there is a cross-sectional view of the .

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. there illustrates in the form of a curve the temperatures in a nuclear fuel pellet according to the state of the art, in nominal operating mode.

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. there is a schematic perspective view of a basic M pattern of a nuclear fuel needle whose sheath houses a fuel pellet with a metal insert with branched branches, not shown, according to the 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. there is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet according to an example of the invention, with a metal insert with six main branches branched three times.

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. there is a partial cross-sectional view of the pellet according to the , resulting from a Computer Aided Design (CAD) tool, the showing the geometric parameters of branching.

la reprend la telle qu’elle issue d’une simulation numérique. there resumes the as it results from a digital simulation.

la reprend une partie de la avec une représentation du maillage numérique. there takes up part of the with a representation of the digital mesh.

la reprend la avec une représentation des différentes températures au sein de la pastille. there resumes the with a representation of the different temperatures within the pellet.

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. there is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet according to another example of the invention, with a metal insert with six main branches branched only once.

Description détailléeDetailed description

Par souci de clarté, un même élément selon l’état de l’art et selon l’invention est désigné par une même référence numérique.For the sake of clarity, the same element according to the state of the art and according to the invention is designated by the same numerical reference.

Les figures 1 et 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne seront donc pas détaillées ci-après.Figures 1 and 2 have already been commented on in the preamble. They will therefore not be detailed below.

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/.In the examples below, the fuel pellets according to the invention are numerically simulated to evaluate their thermal performance, using software marketed under the name “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.It was represented in , a basic pattern M of a nuclear fuel rod with a cladding 2 housing a fuel pellet 6 according to the invention.

Un premier exemple d’une pastille 6 selon l’invention est illustré à la .A first example of a pellet 6 according to the invention is illustrated in .

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.A pellet 6 according to the invention with a central axis (X) firstly comprises a straight cylindrical ring 60 of fissile material with a central axis (X) delimited by an internal straight cylinder 61 and an external straight cylinder 62 whose length defines the length (H) of the pellet.

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.The inner straight cylinder 61 is hollowed out and defines the inner diameter (Øint) of the pellet 6, while the outer straight cylinder 62 defines the outer diameter (Øext) of the pellet 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.According to the invention, the pellet 6 comprises an insert 7 made of thermally conductive material, in the form of at least three main branches (6 main branches on the : 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6) branched which extend over the entire length of the pellet and radially from the periphery of the hollowed-out inner straight cylinder 61 towards the outside of the pellet, preferably up to the outer diameter 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.Each of the main branches 7.1 to 7.6 is branched symmetrically or not at least p times, p being greater than or equal to 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.The number n of branches 70, 71, 72, per main branch and per branch is equal to n, n being greater than or equal to 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.The main branches 7.1 to 7.6 with their ramifications 70 to 72 are distributed regularly or not in the volume of the ring 60 and distant from each other.

Des procédés de fabrication additive peuvent être mis en œuvre pour réaliser ce type de géométries d’insert à branches ramifiées.Additive manufacturing processes can be implemented to achieve this type of branched insert geometry.

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.The example of the is a pellet 6 whose insert 7 is made up of six rectilinear main branches 7.1 to 7.6 distributed at 60° from each other, each main branch being branched by two symmetrical ramifications 70 which are also rectilinear.

Le nombre de ramifications symétriques rectilignes 70 à 72 depuis chaque branche principale est égal à 3.The number of straight symmetrical branches 70 to 72 from each main branch is equal to 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.The inventors have produced a precise example of dimensioning this first example of a pellet with six main branches 7.1 to 7.6 branched.

Les dimensions de référence, montrées en sont indiquées dans le tableau 1 ci-après.The reference dimensions, shown in are shown in Table 1 below.

Paramètres dimensionnels de la pastille 6 et son insert 7Dimensional parameters of the pellet 6 and its insert 7 diamètre intérieur (Øint = 2*Rint)inner diameter (Øint = 2*Rint) 1,0 mm1.0 mm diamètre extérieur (Øext)outer diameter (Øext) 7,14 mm7.14 mm Largeur branche et ramification( >L ) Branch and ramification width ( >L ) 0,032 mm0.032 mm R1R1 0.35 mm0.35 mm θ1(theta1) θ1 (theta1) 27°27° R2R2 0,75 mm0.75 mm θ2(theta 2 ) θ2 (theta 2 ) 27°27° R3R3 0,5 mm0.5 mm θ3(theta3 ) θ3 (theta3 ) 15 °15° R4R4 1,1 mm1.1 mm θ4(theta4 ) θ4 (theta4 ) 20 °20° R5R5 0,5 mm0.5 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.An analysis of the expected performance of a 6-point insert 7-point insert with branched branches as illustrated in and 8 compared to those of a MOX fuel pellet without insert according to the state of the art was made by the inventors in Table 2.

Le tableau 2 suivant synthétise ces performances.The following Table 2 summarizes these performances.

PerformancesPerformances Pastille de combustible selon l’état de l’artState-of-the-art fuel pellet Pastille de combustible 6 selon l’inventionFuel pellet 6 according to the invention THERMIQUETHERMAL

  • marge à la fusionmargin for merger

2 W/m.K à 2400K

~300 K (pour une puissance linéique de 500W/cm)

2 W/mK at 2400K

~300 K (for a linear power of 500W/cm)

30 W/m.K maximum

>1200 K

30 W/mK maximum

>1200 K
THERMOCHIMIETHERMOCHEMISTRY


  • risque de rupture de gaine par contrainte primaire et fluagerisk of sheath rupture due to primary stress and creep

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

200 µm (max burn rate) with 50% reduction in sheath thickness

high hence the need for suitable needle sizing to manage this risk

0 µm


réduit

0 µm


reduced
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
DIFFUSION OF FISSION GASES
- release of fission gases
- during power transients, risk of fuel melting due to closing of the central hole due to gaseous swelling
- risk of mechanical interaction between pellet and sheath at high combustion rates or during a transient


70 à 80% en intégrale sur la pastille

avéré et dimensionnant



avéré et dimensionnant


70 to 80% in full on the tablet

proven and dimensioning



proven and dimensioning


>95%


aucun



aucun


>95%


none



none

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.
It is clear from this table that the insert with branched branches according to the invention allows, compared to a pellet without a MOX fuel insert according to the state of the art:
  • to increase power;
  • to avoid fuel fusion in almost all accidental transients;
  • to achieve very high combustion rates;
  • to reduce sheath thicknesses and therefore costs and structural waste;
  • to significantly improve safety;
  • not to penalize the needle height because the free volumes are already sized for 100% release.

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.To quantify the expected improvement in performance, the inventors performed a 2D thermal calculation by imposing a heat source in the fissile material and imposing the temperature of the external edge 62 of the pellet 6. This results in a heat flow from the edge of the hollowed-out center 61 to the edge 62 of the pellet 6. The calculations were performed on a pellet 6 whose fissile material is of formula (U1-y,Puy)Ox and the insert 7 is made of NbZr or NbZrC alloy.

Les propriétés de ces matériaux, extraites respectivement des références [4] et [5] sont données dans le tableau 3 ci-après.The properties of these materials, extracted respectively from references [4] and [5] are given in table 3 below.

Propriétés physiquesPhysical properties Matière fissileFissile material Insert métallique 7Metal insert 7 matériaumaterial (U1-y,Puy)Ox(U 1-y ,Pu y )Ox Nb Zr ou NbZrCNb Zr or NbZrC stœchiométrie (2-x)stoichiometry (2-x) 1.981.98 -- valeur de yvalue of y 0.30.3 -- conductivité thermique (W/m.K)thermal conductivity (W/m.K) Equation 1
Equation 1
Equation 2
Equation 2
température de fusion (K)melting temperature (K) Tsolidus=416y2– 521y + 3143T solidus =416y 2 – 521y + 3143 Tsolidus=2673T solidus =2673

L’équation 1 s’écrit :
Equation 1 is written as:

λ : la conductivité thermique en W/m.Kλ: thermal conductivity in W/m.K

T : température en K,T: temperature in K,

x : la déviation à la stochiométrie soit x=O/M-2.0,x: the deviation from stochiometry is x=O/M-2.0,

z1: la teneur en americium Am (Am/(U+Pu+Np+Am)),z 1 : the americium content Am (Am/(U+Pu+Np+Am)),

z2: la teneur en neptunium Np (Np/(U+Pu+Np+Am)).z 2 : the neptunium content Np (Np/(U+Pu+Np+Am)).

L’équation 2 s’écrit : Equation 2 is written as:

k : la conductivité thermique en W/m.Kk: thermal conductivity in W/m.K

T : température en K.T: temperature in K.

Les calculs thermiques 2D résolvent l’équation 3 suivante :2D thermal calculations solve the following equation 3:

avec des conditions de bord de Dirichlet en bord de pastille.with Dirichlet boundary conditions on the edge of the pellet.

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).Conductivity is a function of the material, as is the source term , which is uniform within the fissile material and zero in the metallic insert (we neglect the few capture reactions).

Les conditions des calculs sont indiquées dans le tableau 4 ci-après.The calculation conditions are shown in Table 4 below.

Puissance thermiqueThermal power taux de chaleur linéaire (W/cm)linear heat rate (W/cm) 548548 profil radial en début de vieradial profile at the beginning of life platflat TempératureTemperature températureextérieurede la pastille en 62 outside temperature of the pellet in 62 1144.11144.1 température maximale de la pastille en 61maximum temperature of the pellet in 61 à déterminerto be determined

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. The calculation was carried out on a mesh composed of 182004 then 728016 triangles with a variation from one to the other of 1K in terms of maximum temperature, which allows us to conclude that the calculations have converged well.

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.The results obtained for an example of pellet geometry 6 as according to the are illustrated in Figures 6 to 8. It should be noted that on the , the scale is distorted to visualize the variations in the local thermal conductivity of the pellet 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.There illustrates another example of pellets 6 with six main straight branches 7.1 to 7.6, each being branched only once into two symmetrical branches 70 which are also straight.

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.Table 5 below presents the results of the thermal calculations on a pellet according to the invention with insert 7 according to figures 4 and 9 in comparison with a MOX fuel pellet without insert according to the state of the art with the same geometry conditions and operating conditions.

Pastille de combustibleFuel tablet Pastille selon l’état de l’art sans insert, de type (U,Pu)O2State-of-the-art pellet without insert, type (U,Pu)O2 Pastille selon l’exemple de la figure 4Pastille according to the example in figure 4 Pastille selon l’exemple de la figure 9Pastille according to the example in figure 9 Géométrie (mm)Geometry (mm) Φext/Φint égal à 7,14/2,01 soit 3,55Φext/Φint equals 7.14/2.01 or 3.55 Φext/Φint égal à 7,14/2,01 soit 3,55
Largeur L branches et ramifications égal à 0,032
Φext/Φint equals 7.14/2.01 or 3.55
Width L branches and ramifications equal to 0.032
Φext/Φint égal à 7,14/2,01 soit 3,55
Largeur L branches et ramifications égal à 0,088
Φext/Φint equals 7.14/2.01 or 3.55
Width L branches and ramifications equal to 0.088
Puissance linéique appliquée (W/cm)Applied linear power (W/cm) 548548 548548 548548 Part de métal/totalMetal share/total 0%Vol0%Vol 10.1% vol10.1% vol 10.0%10.0% Tmax combustible (K)Tmax fuel (K) 25732573 16551655 16221622 Tmin combustible (K)Fuel Tmin (K) 11441144 11441144 11441144 ΔT combustible (K)ΔT fuel (K) 14301430 515515 478478

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.
It therefore emerges from this table 5 that:
  • A gain of nearly 915K in maximum pellet temperatures is obtained with a metal insert geometry according to the , which corroborates the expected thermal performance;
  • at a given volume fraction of metal, a substantially equivalent temperature gain is obtained for a geometry according to the , with only one level of branching.

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 .Furthermore, the inventors believe that the branched geometry of the insert according to the has the advantage of having a more uniform temperature at the edge of the pellet than that of the .

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.The invention is not limited to the examples which have just been described; it is possible in particular to combine characteristics of the examples illustrated within non-illustrated variants.

D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.Other variations and improvements may be envisaged without departing from the scope of the 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 :Depending on the applications envisaged (mainly fast neutron reactors), different parameters of a pellet with a metal insert with branched branches can be optimized. Among the parameters to be optimized, we can cite:

- le choix d’un métal réfractaire différent du NbZr ou NbZrC ;- the choice of a refractory metal other than NbZr or NbZrC;

- un rapport volumique métal/céramique différent de celui des calculs ci-avant ;- a metal/ceramic volume ratio different from that of the calculations above;

- le choix d’une matière fissile autre que du MOX ;- the choice of a fissile material other than MOX;

- un agencement et dimensions des ramifications différents de ceux des figures 4 et 9 ;- an arrangement and dimensions of the branches different from those of figures 4 and 9;

- un dimensionnement des diamètres intérieur et extérieur de la pastille différent de celui des calculs ci-avant.- a dimensioning of the internal and external diameters of the pellet different from that of the calculations above.

Liste des références citéesList of cited references

[1]: Kim D.J. – Rhee Y.W. & al – “Fabrication of Micro-Cell_UO2-Mo with enhanced thermal conductivity”, JNM 462 (2015) 289-295.[1]: Kim DJ – Rhee YW & al – “ Fabrication of Micro-Cell_UO2-Mo with enhanced thermal conductivity ”, JNM 462 (2015) 289-295.

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[5]: DJ Senor, JK Thomas, KL Peddicord, Journal of Nuclear Materials 173 (1990) page 261-273 and page 274-283.

Claims (14)

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 (Øint), le cylindre droit extérieur définissant le diamètre extérieur (Øext) 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.
Nuclear fuel pellet (6), comprising:
  • a straight cylindrical ring (60) of fissile material with a central axis (X) delimited by an inner straight cylinder (61) and an outer straight cylinder (62) whose length defines the length (H) of the pellet, the inner straight cylinder being hollowed out and defining the inner diameter (Ø int ), the outer straight cylinder defining the outer diameter (Ø ext ) of the pellet;
  • an insert (7) made of thermally conductive material, in the form of at least three branched main branches (7.1 to 7.6) which extend over all or part of the length of the pellet and radially from the periphery of the hollowed-out inner straight cylinder towards the outside of the pellet, each of the main branches being branched symmetrically or not at least p times, p being greater than or equal to 1; the number n of symmetrical or not branches (70, 71, 72, 73) per main branch and per branch being equal to n, n being greater than or equal to 2; the main branches with their branches being regularly distributed in the volume of the ring and spaced apart from each other.
Pastille (6) selon la revendication 1, le nombre p étant compris entre 1 et 7, le nombre n étant égal à 2.Pastille (6) according to claim 1, the number p being between 1 and 7, the number n being equal to 2. Pastille (6) selon l’une des revendications 1 ou 2, les branches principales avec leurs ramifications étant rectilignes ou incurvées.Pastille (6) according to one of claims 1 or 2, the main branches with their ramifications being straight or curved. 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) according to one of the preceding claims, the main branches with their ramifications being of square, rectangular, circular or elliptical cross section. 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.Pellet (6) according to one of the preceding claims, each of the main branches and its ramifications extending radially to the outer diameter of the pellet. 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) according to one of the preceding claims, the ratio between the section of each branch and that of each main branch being less than 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 . Pellet (6) according to claim 6, the section of each main branch being less than 0.5 mm², preferably less than 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) according to one of the preceding claims, the ratio between section and length of each of the main branches and its ramifications being less than 0.5 mm, preferably less than 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 .Pellet (6) according to one of the preceding claims, the material of the main branches and its ramifications being chosen from Molybdenum (Mo), niobium (Nb) or their alloys, preferably an NbZr alloy or an NbZrC alloy. Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, la matière fissile du cylindre droit étant choisie parmi l’oxyde d'uranium (IV) (UO2), l’oxyde mixte (U, Pu)O2ou un mélange mixte à base d'oxyde d'uranium et d'oxydes de plutonium retraités (MOx).Pellet (6) according to one of the preceding claims, the fissile material of the right cylinder being chosen from uranium (IV) oxide (UO 2 ), mixed oxide (U, Pu)O 2 or a mixed mixture based on uranium oxide and reprocessed plutonium oxides (MOx). Pastille (6) selon l’une des revendications précédentes, le pourcentage volumique des branches principales avec leurs ramifications étant compris entre 1 et 20 %. Pastille (6) according to one of the preceding claims, the volume percentage of the main branches with their ramifications being between 1 and 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.
Nuclear fuel needle (1) extending in a longitudinal direction (XX') comprising:
a plurality of nuclear pellets (6) according to one of the preceding claims, stacked on top of each other;
a sheath (2) made of neutron-transparent material surrounding the stack of pellets.
Aiguille (1) selon la revendication 12, la gaine étant en alliage de zirconium, notamment en Zircaloy-4 (Zr4), ou en alliage M5® (ZrNbO).Needle (1) according to claim 12, the sheath being made of zirconium alloy, in particular Zircaloy-4 (Zr 4 ), or M5® alloy (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).Use of a nuclear fuel pellet (6) according to one of claims 1 to 11 or of a nuclear fuel needle (1) according to claim 12 or 13 in a fast neutron reactor (RNR), in particular cooled by liquid metal, such as liquid sodium (RNR-Na), a pressurized water reactor (PWR), a boiling water reactor (BWR).
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