FR3154225A1 - Gaine de crayon de combustible nucléaire et procédé de fabrication d’une telle gaine - Google Patents
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Abstract
Gaine de crayon de combustible nucléaire et procédé de fabrication d’une telle gaine La gaine comprend un tube (14) s’étendant suivant un axe longitudinal et une doublure interne (18) tubulaire reçue à l’intérieur du tube (14), le tube (14) comprenant au moins une couche renforcée (16) réalisée dans un matériau composite comprenant une matrice céramique renforcée avec des fibres de renfort céramiques, l’épaisseur du tube (14) étant comprise entre 280 µm et 600 µm. Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne le domaine des gaines de combustible nucléaire (ci-après aussi nommées « gaines ») destinées à contenir du combustible nucléaire, en particulier des gaines de crayon de combustible nucléaire, et leur procédé de fabrication.
Le combustible nucléaire incluant la matière fissile est généralement contenu dans une gaine étanche qui évite la dispersion du combustible nucléaire.
Les assemblages de combustible nucléaire utilisés dans les réacteurs à eau légère ou à eau lourde comprennent généralement un faisceau de crayons de combustible nucléaire, chaque crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine tubulaire contenant du combustible nucléaire, la gaine étant fermée à chacune de ses deux extrémités par un bouchon respectif.
Les gaines des assemblages de combustible nucléaire sont réalisées par exemple en alliage à base de zirconium. De tels alliages à base de zirconium présentent des performances élevées en conditions normales d’utilisation dans les réacteurs nucléaires.
Cependant, ils peuvent atteindre leurs limites notamment en termes de température lors de conditions accidentelles sévères, comme par exemple lors d’un accident de perte de fluide de refroidissement (ou LOCA pour « Loss Of Coolant Accident » en anglais).
Lors d’un tel évènement, la température dans le cœur du réacteur nucléaire peut atteindre plus de 800°C et le fluide de refroidissement se présente essentiellement sous forme de vapeur d’eau.
Ceci peut causer une dégradation rapide de la gaine d’un crayon de combustible nucléaire, avec notamment un dégagement d’hydrogène et une oxydation rapide de la gaine conduisant à sa fragilisation voire à son éclatement, et donc au relâchement de combustible nucléaire hors de la gaine.
Un des buts de l’invention est de proposer une gaine qui présente un comportement amélioré en conditions normales et en conditions accidentelles, tout en présentant une résistance à l’usure améliorée.
A cet effet, l’invention propose une gaine de crayon de combustible nucléaire, la gaine comprenant un tube s’étendant suivant un axe longitudinal et une doublure interne tubulaire reçue à l’intérieur du tube, le tube comprenant au moins une couche renforcée réalisée dans un matériau composite comprenant une matrice céramique renforcée avec des fibres de renfort céramiques, l’épaisseur du tube étant comprise entre 280 µm et 600 µm.
Le tube en matériau composite à matrice céramique renforcée de fibres céramiques permet d’obtenir une gaine qui est très résistante, notamment en conditions accidentelles. Le risque de rupture de la gaine et, ce faisant, de relâchement de combustible nucléaire hors de la gaine, est donc diminué. Par exemple, une matrice en carbure de silicium renforcée de fibres de renfort en carbure de silicium et/ou en carbone est particulièrement résistante.
La doublure interne prévue dans le tube permet d’améliorer l’étanchéité et en particulier d’empêcher le relâchement de gaz de fission hors de la gaine.
Selon des modes de réalisation particuliers, la gaine comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le tube comprend une seule couche renforcée, l’épaisseur du tube étant comprise entre 280 µm et 340 µm ;
-le tube comprend exactement deux couches renforcées, l’épaisseur du tube étant comprise entre 450 µm et 600 µm ;
- la matrice céramique est réalisée en carbure de silicium et/ou les fibres de renfort céramiques sont réalisées en carbure de silicium et/ou en carbone ;
- une ou chaque couche renforcée est formée avec enroulement filamentaire des fibres de renfort céramiques ;
- une ou chaque couche renforcée est formée avec enroulement filamentaire des fibres de renfort céramiques sans entrelacement des fibres de renfort céramiques ;
- une ou chaque couche renforcée est formée avec enroulement filamentaire des fibres de renfort céramiques avec entrelacement des fibres de renfort céramiques, par exemple par tressage des fibres de renfort céramiques ;
- le tube comprend au moins une couche non renforcée, réalisée de préférence dans le même matériau que la matrice céramique ;
- la gaine comprend une couche non renforcée interne recouvrant la ou les couches renforcées du côté de la face interne du tube et/ou une couche non renforcée externe recouvrant le ou les couches renforcées du côté de la face externe du tube et/ou une couche non renforcée intermédiaire intercalée entre deux couches renforcées du tube ;
- le tube est formé exclusivement de la matrice céramique et des fibres de renfort céramique ;
- la doublure interne présente une épaisseur comprise entre 50 µm et 200 µm, en particulier entre 50 µm et 150 µm ;
- la doublure interne est métallique ;
- la doublure interne est réalisée en zirconium pur ou en un alliage à base de zirconium contenant au moins 95% en poids de zirconium ;
- la doublure interne est pré-oxydée ;
- la gaine comprend une couche externe de protection recouvrant une surface externe du tube ;
- la couche externe de protection est métallique ;
- la couche externe de protection est réalisée en chrome pur ou en alliage à base de chrome contenant au moins 85% en poids de chrome ou en zirconium pur ou en alliage à base de zirconium contenant au moins 85% en poids de zirconium ou en titane pur ou en alliage à base de titane contenant au moins 80% en poids de titane ;
- la couche externe de protection présente une épaisseur comprise entre 5 µm et 40 µm.
L’invention concerne aussi un crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, du combustible nucléaire reçu à l’intérieur de la doublure interne de la gaine, et deux bouchons, chaque bouchon fermant une extrémité axiale respective de la gaine.
Selon des modes de réalisation particuliers, le crayon de combustible nucléaire comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chaque bouchon est réalisé en matériau composite comprenant une matrice céramique renforcée de fibres de renfort céramiques, en particulier une matrice en carbure de silicium renforcée de fibres de renfort en carbures de silicium et/ou en carbone ;
- le crayon de combustible nucléaire comprenant deux éléments internes d’obturation, fermant chacun une extrémité respective de la doublure interne ;
- le gaz contenu dans la doublure interne est de l’hélium et/ou la pression du gaz à l’intérieur de la doublure interne est égale ou inférieure à 200 bars, de préférence égale ou inférieure à 100 bars, encore de préférence égale ou inférieure à 20 bars.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
-FIG. 1 laFIG. 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un crayon de combustible nucléaire illustrant une gaine du crayon de combustible nucléaire;
-FIG. 2 laFIG. 2 est une vue schématique en coupe du crayon de combustible nucléaire de laFIG. 1 , selon II – II sur laFIG. 1 .
LaFIG. 1 illustre un exemple d’un crayon de combustible nucléaire 2 destiné à être utilisé dans un réacteur à eau légère, en particulier un réacteur à eau sous pression (ou PWR pour « Pressurized Water Reactor ») ou un réacteur à eau bouillante (ou BWR pour « Boiling Water Reactor »), un réacteur de type « VVER », un réacteur de type « RBMK », ou un réacteur à eau lourde, par exemple de type « CANDU ».
Le crayon de combustible nucléaire 2 présente la forme d’une tige allongée suivant un axe longitudinal A.
Le crayon de combustible nucléaire 2 comprend une gaine 4 contenant du combustible nucléaire. La gaine 4 est tubulaire et s’étend suivant l’axe longitudinal A.
La gaine 4 est par exemple fermée à ses extrémités axiales par deux bouchons 6, chaque bouchon 6 fermant une extrémité axiale respective de la gaine 4, de préférence de manière étanche.
Un des deux bouchons 6 ou, de préférence, chaque bouchon 6 possède un doigt de préhension 6A
Chaque doigt de préhension 6A permet la préhension du crayon de combustible nucléaire 2, par exemple lors de la fabrication du crayon de combustible nucléaire 2, lors de l’insertion du crayon de combustible nucléaire 2 dans un assemblage de combustible nucléaire, ou encore pour l’extraction du crayon de combustible nucléaire 2 hors d’un assemblage de combustible nucléaire.
Le combustible nucléaire se présente par exemple sous la forme d’un empilement de pastilles 8 empilées axialement à l’intérieur de la gaine 4, chaque pastille 8 contenant du matériau fissile. L’empilement de pastilles 8 est aussi appelée « colonne fissile ».
Le crayon de combustible nucléaire 2 comprend un ressort 10 disposé à l’intérieur de la gaine 4, entre l’empilement de pastilles 8 et l’un des bouchons 6, pour pousser l’empilement de pastilles 8 vers l’autre bouchon 6. Un vide ou plenum 12 est présent entre l’empilement de pastilles 8 et le bouchon 6 sur lequel le ressort 10 prend appui.
La gaine 4 présente par exemple un diamètre externe compris entre 8 mm et 15 mm, en particulier entre 9 mm et 13 mm, et/ou une longueur comprise entre 1 m et 5 m, en particulier entre 2 m et 5 m.
Comme visible sur les Figures 1 et 2, la gaine 4 comprend un tube 14 présentant une surface interne 14A et une surface externe 14B. La surface interne 14A est tournée vers l’intérieur du tube 14 et la surface externe est tournée vers l’extérieur du tube 14. Le tube 14 s’étend suivant l’axe longitudinal A.
Le tube 14 est par exemple fermé à ses extrémités axiales par les deux bouchons 6, chaque bouchon 6 fermant une extrémité axiale respective du tube 14, de préférence de manière étanche.
Le tube 14 est au moins en partie réalisé en un matériau composite à matrice céramique renforcée de fibres de renfort céramiques.
Les fibres de renforts céramiques sont par exemple réalisées en carbone ou en carbure de silicium (SiC), de préférence de qualité nucléaire. Des fibres de renfort en carbure de silicium de qualité nucléaire sont des fibres en carbure de silicium à haute cristallinité et/ou stœchiométriques ou quasi-stœchiométriques, i.e. avec un rapport C/Si en pourcentage atomique (%at) compris entre 1,00 et 1,10 (soit 1,00 ≤ C%at/Si%at ≤ 1,10) et une teneur en oxygène inférieure à 1 pourcent massique (%mass), en particulier des fibres en carbure de silicium dites de troisième génération. De telles fibres de renfort en carbure de silicium présentent une forte tolérance aux irradiations.
La matrice céramique est par exemple réalisée en carbure de silicium. Le tube 14 est dans ce cas réalisé au moins en partie dans un matériau composite à matrice céramique en carbure de silicium renforcé de fibres de carbure de silicium (SiC/SiCf) ou de fibres de carbone (SiC/C).
La gaine 4 comprend une doublure interne 18 tubulaire reçue à l’intérieur du tube 14. La doublure interne 18 est de préférence en contact avec la surface interne 14A du tube 14.
Le tube 14 est formé d’une couche ou de plusieurs couches superposées. Les couches superposées sont concentriques.
Le tube 14 comprend une couche renforcée 16 ou plusieurs couches renforcées 16.
Chaque couche renforcée 16 est réalisée dans le matériau composite comprenant la matrice céramique renforcée avec les fibres de renfort céramiques.
Chaque couche renforcée 16 est réalisée dans le matériau composite à matrice céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC), renforcée de fibres de renfort céramique, de préférence en carbure de silicium (SiC) et/ou en carbone (C).
Le tube 14 comprend par exemple une seule couche renforcée 16 ou exactement deux couches renforcées 16.
L’épaisseur du tube 14, prise entre sa surface interne 14A et sa surface externe 14B, est comprise entre 280 µm et 600 µm.
La prévision d’une seule couche renforcée 16 permet d’obtenir une gaine 4 présentant une tenue mécanique suffisante, tout en limitant l’épaisseur de la gaine 4. La prévision de deux couches renforcées 16 superposées permet d’améliorer la tenue mécanique de la gaine 4, tout en ayant une gaine 4 dont l’épaisseur est contenue.
Dans chaque couche renforcée 16, les fibres de renfort sont par exemple disposées selon un agencement à deux ou trois dimensions.
Les fibres de renfort d’une ou de chaque couche renforcée 16 sont par exemple déposées par enroulement filamentaire (enroulement d’un fil sous tension autour d’un mandrin en rotation).
Ceci permet d’atteindre un bon état de surface et une forte fraction volumique de fibres pour obtenir un tube possédant les caractéristiques mécaniques requises pour une gaine de crayon de combustible nucléaire.
Dans chaque couche renforcée 16, les fibres de renfort sont par exemple enroulées de manière hélicoïdale autour de l’axe longitudinal A, en faisant de préférence un angle d’enroulement ±θ compris entre 30° et 60° avec la direction de l’axe longitudinal A, en particulier un angle d’enroulement ±θ d’environ 45° avec la direction de l’axe longitudinal A.
L’enroulement filamentaire est effectué sans entrelacement des fibres de renfort, en particulier sans tressage des fibres de renfort, et/ou avec entrelacement des fibres de renfort, par exemple avec tressage des fibres de renfort.
Avantageusement, les fibres de renfort sont préalablement revêtues d’une interphase fibre/matrice (couche mince intermédiaire avec un rôle de « fusible mécanique ») avant d’être incorporées dans une matrice céramique, par exemple par infiltration chimique en phase vapeur (ou CVI de l’anglais « Chemical Vapor Infiltration »). Ceci permet d’améliorer la tolérance aux dommages du matériau composite du tube 14.
En option, le tube 14 comprend au moins une couche non renforcée 20.
Chaque couche non-renforcée 20 est de préférence réalisée dans la matrice céramique non renforcée par des fibres de renfort céramique, ou autrement dit dans le même matériau que la matrice céramique de la ou des couches renforcées 16 non renforcé par des fibres de renfort céramique.
La réalisation d’une couche non renforcée 20 dans le même matériau que celui de la matrice des couches renforcées 16 permet une bonne cohésion entre les couches du tube 14.
Le tube 14 comprend par exemple une couche non renforcée 20 interne recouvrant la ou les couches renforcées 16 du côté de la surface interne 14A du tube 14, et définissant de préférence la surface interne 14A du tube 14, et/ou une couche non renforcée 20 externe recouvrant la ou les couches renforcées 16 du côté de la face externe 14B du tube 14, et définissant de préférence la surface externe 14B du tube14.
Des couches non renforcées 20 interne et externe permettent de maitriser les dimensions du tube 14, en particulier le diamètre interne du tube 14 et le diamètre externe du tube 14, et les états de surfaces des surfaces interne 14A et externe 14B du tube 14, par exemple par reprise par usinage et/ou par rodage des couches non renforcées 22 pour former les surfaces interne 14A et externe 14B du tube 14.
Lorsque le tube 14 comprend deux couches renforcées 16, en option, le tube 14 comprend une couche non renforcée 20 intermédiaire intercalée entre les deux couches renforcées 16.
De préférence, le tube 14 est formé exclusivement de la matrice céramique et des fibres de renfort céramique. Le tube 14 comprend au moins une couche renforcée 16 dans laquelle la matrice céramique est renforcée par les fibres de renfort céramique en formant ainsi un matériau composite, et, optionnellement, au moins une couche non renforcée 20 réalisées avec la matrice céramique non renforcée par les fibres de renfort céramique.
Un procédé de fabrication du tube 14 comprend par exemple la réalisation de la ou des couches renforcées 16 par enroulement filamentaires des fibres de renfort puis infiltration des fibres de renfort avec la matrice, par exemple par infiltration chimique en phase vapeur, puis dépôt d’une couche non renforcée 20 interne et/ou d’une couche non-renforcée 20 externe, puis, de préférence, la reprise de la surface interne 14A et/ou de la surface externe 14B du tube 14, par exemple par usinage et/ou rodage.
Pour prévoir une couche non renforcée 20 intermédiaire, le procédé de fabrication comprend par exemple la réalisation d’une couche renforcée 16, puis le dépôt de la couche non renforcée 20 intermédiaire par-dessus ladite couche renforcée 16, puis la réalisation de l’autre couche renforcée 16 par-dessus la couche non renforcée 20 intermédiaire.
Dans ce qui suit, les épaisseurs sont prises radialement relativement à l’axe longitudinal A.
En particulier, le tube 14 présente une épaisseur (E1 sur laFIG. 2 ) prise entre la surface interne 14A et la surface externe 14B du tube 14, en incluant la ou les couches renforcées 16, et la ou les éventuelles couches non renforcées 20.
Dans des exemples de réalisation, le tube 14 comprend une seule couche renforcée 16, l’épaisseur E1 du tube 14 étant comprise entre 280 µm et 340 µm.
Dans des exemples de réalisation, le tube 14 comprend exactement deux couches renforcées 16, l’épaisseur E2 du tube 14 étant comprise entre 450 µm et 600 µm.
La doublure interne 18 est de préférence en contact avec la surface interne 14A du tube 14.
La gaine 4 est dépourvue de jeu radial entre le tube 14 et la doublure interne 18.
La doublure interne 18 est de préférence pleine. La doublure interne 18 est étanche aux fluides, en particulier au gaz.
La doublure interne 18 est par exemple métallique, i.e. réalisée en métal.
La doublure interne 18 est par exemple réalisée en zirconium pur ou en un alliage à base de zirconium contenant au moins 95% en poids de zirconium.
L’expression « zirconium pur » désigne un matériau contenant au moins 99 % en poids de zirconium. Le reste du matériau est constitué d’inévitables impuretés.
L’alliage à base de zirconium est par exemple choisi parmi un des alliages connus tels que M5, ZIRLO, E110, HANA, N36, Zircaloy-2 et Zircaloy 4.
La doublure interne 18 présente une épaisseur (E2 sur laFIG. 2 ) comprise entre 50 µm et 200 µm, en particulier entre 50 µm et 150 µm.
La doublure interne 18 est par exemple pré-oxydée en milieu contrôlé pour optimiser ses caractéristiques d’étanchéité au gaz comme le tritium.
La doublure interne 18 pré-oxydée est fabriquée intentionnellement avec une couche d’oxyde. La couche d’oxyde est présente sur le doublure interne 18 avant l’utilisation du crayon de combustible nucléaire, en particulier dans un réacteur nucléaire.
La gaine 4 et/ou ses bouchons 6 comprennent en option une couche externe de protection 22. La couche de protection 22 recouvrant la surface externe 14B du tube 14.
La couche externe de protection 22 est par exemple métallique.
La couche externe de protection 22 est réalisée en chrome pur ou en alliage à base de chrome contenant au moins 85% en poids de chrome ou en zirconium pur ou en alliage à base de zirconium contenant au moins 85% en poids de zirconium ou en titane pur ou en alliage à base de titane contenant au moins 80% en poids de titane.
L’expression « chrome pur » désigne un matériau comprenant au moins 99% en poids de chrome. Le reste du matériau est constitué d’inévitables impuretés.
L’expression « titane pur » désigne un matériau comprenant au moins 99% en poids de titane. Le reste du matériau est constitué d’inévitables impuretés.
De préférence, la couche externe de protection 22 présente une épaisseur (E3 sur laFIG. 2 ) comprise entre 5 µm et 40 µm.
Comme visible sur laFIG. 1 , la gaine 4 comprend de préférence deux éléments d’obturation 24 fermant chacun une extrémité axiale respective de la doublure interne 14, de préférence de manière étanche aux fluides, en particulier au gaz.
Chaque élément d’obturation 24 est par exemple fixé à la doublure interne 18 en étant soudé et/ou brasé et/ou collé et/ou inséré en force à l’extrémité axiale correspondante de la doublure interne 18.
De préférence, lors de la fermeture de la doublure interne 18, la nature et la pression du gaz contenu dans la doublure interne 18 sont contrôlée, par exemple en utilisant un queusot. Le gaz est par exemple de l’hélium. La pression est avantageusement égale ou inférieure à 200 bars, de préférence égale ou inférieure à 100 bars, encore de préférence égale ou inférieure à 20 bars. La pression est par exemple de 15 bars.
Dans des exemples de réalisation, chaque élément d’obturation 24 est métallique. En particulier, chaque élément d’obturation 24 est réalisé dans le même matériau que la doublure interne 18 et est de préférence soudé à celle-ci, et aussi, optionnellement, soudé, brasé, collé et/ou inséré en force.
Les éléments d’obturation 24 fermant la doublure interne 18 sont par exemple distincts des bouchons 6 fermant les extrémités axiales du tube 14.
Dans des exemples de réalisation, chaque bouchon 6 est réalisé en matériau composite comprenant une matrice renforcée de fibres de renfort, en particulier une matrice céramique renforcée de fibres de renfort, encore plus en particulier une matrice en carbure de silicium renforcée de fibres en carbures de silicium.
Chaque bouchon 6 est par exemple fixé au tube 14 en étant brasé et/ou collé et/ou inséré en force et/ou goupillé à l’extrémité axiale correspondante du tube 14. Dans des exemples de réalisation avantageux, chaque bouchon 6 est brasé ou goupillé et brasé.
Lorsqu’une couche externe de protection 22 est prévue, celle-ci recouvre le tube 14 sur toute sa longueur, et, de préférence, recouvre partiellement ou complètement chaque bouchon 6, notamment à la jonction entre le bouchon 6 et le tube 14.
Selon un procédé de fabrication du crayon de combustible nucléaire 2, le tube 14 et la doublure interne 18 sont par exemple fabriqués séparément, puis la doublure interne 18 est fermée, son étanchéité au gaz étant de préférence contrôlée, puis la doublure interne 18 préalablement fermée est insérée dans le tube 14.
En particulier, le procédé de fabrication comprend, la fabrication du tube 14, l’obtention de la doublure interne 18, le remplissage de la doublure interne 18 avec le combustible nucléaire, par exemple par insertion des pastilles 8 dans la doublure interne 18, la fermeture de la doublure interne 18 à ses extrémités axiales à l’aide des éléments d’obturation 24, de préférence, le contrôle de l’étanchéité au gaz de la doublure interne 18 fermée, l’insertion de la doublure interne 18 remplie et fermée dans le tube 14, puis la fermeture du tube 14 à ses extrémités axiales par les bouchons 6.
La fabrication du tube 14 comprend la réalisation de la ou des couches renforcées 16, en particulier par enroulement filamentaire de fibres de renfort, par exemple sur une forme cylindrique (ou mandrin). L’enroulement filamentaire est réalisé sans entrelacement des fibres de renforts et/ou avec entrelacement des fibres de renforts, par exemple par tressage.
Les fibres de renfort sont par exemple imprégnées avant le dépôt par enroulement filamentaire, par exemple par passage dans un bain d’imprégnation, et/ou après leur enroulement filamentaire, par exemple par infiltration, en particulier par infiltration chimique en phase vapeur.
Le procédé de fabrication du tube 14 comprend la réalisation d’une seule couche renforcée 16 ou d’exactement deux couches renforcées 16.
Optionnellement, le procédé de fabrication du tube 14 comprend le dépôt d’une couche non renforcée 20 intermédiaire entre les deux couches renforcées 16. Dans ce cas, le procédé de fabrication comprend par exemple la réalisation d’une couche renforcée 16, puis le dépôt d’une couche non renforcée 20 sur le couche renforcée 16, puis la réalisation d’un autre couche renforcée par-dessus la couche non renforcée 20 qui se retrouve intercalée entre les deux couches renforcées 16.
Optionnellement, la réalisation de la ou des couches renforcées 16 est suivie d’un dépôt d’une couche non renforcée 20 interne et/ou d’une couche non renforcée 20 externe
Optionnellement, le procédé de fabrication comprend le dépôt d’une couche externe de protection 22 sur la surface externe 14B du tube, par exemple par projection plasma sous très basse pression (ou VLPPS de l’anglais « Vacuum Low Pressure Plasma Spraying ») ou par dépôt physique en phase vapeur (ou PVD de l’anglais « Physical Vapor Deposition »).
Le dépôt de la couche externe de protection 22 est par exemple réalisé lorsque la doublure interne 18 contenant le combustible est présente à l’intérieur du tube 14, et de préférence après la fermeture du tube 14 à l’aide des bouchons 6.
Dans des modes de mise en œuvre, comme décrit ci-dessus, le tube 14 est formé sur une forme cylindrique avant d’insérer la doublure interne 18 remplie et fermée à l’intérieur du tube 14.
Dans d’autres modes de mise en œuvre, la doublure interne 18 est remplie avec le combustible nucléaire et fermée à ses extrémités axiales par les éléments d’obturation 24, puis le tube 14 est formé autour de la doublure interne 18. La doublure interne 18 sert de forme pour la réalisation du tube 14.
La gaine 4 proposée présente un comportement amélioré en conditions normales d’utilisation et en conditions accidentelles.
Le tube 14 en matériau composite à matrice céramique renforcée de fibres de carbure de silicium permet d’obtenir une gaine 6 qui est très résistante, notamment en conditions accidentelles. Le risque de rupture de relâchement de combustible nucléaire hors de la gaine est donc diminué. Une matrice en carbure de silicium renforcée de fibres de renfort en carbure de silicium est particulièrement résistante.
La doublure interne 18 prévue dans le tube 14 permet d’améliorer l’étanchéité et en particulier d’empêcher le relâchement de gaz de fission hors de la gaine 6.
L’ajout d’un revêtement de protection recouvrant la surface externe du tube 14 de la gaine 4, et de préférence aussi sur les bouchons 6, permet de limiter le risque de corrosion hydrothermal par le fluide circulant dans le réacteur nucléaire autour du crayon de combustible nucléaire. Il permet en particulier d’éviter ou au moins limiter l’érosion du matériau composite du tube 14 et/ou de limiter les relâchements de silicium dans le fluide primaire (lorsque le tube 14 comporte du silicium) et/ou d’éviter ou au moins limiter les dépôts, en particulier les dépôts de CRUD (de l’anglais Chalk River Unidentified Deposits).
L’épaisseur E1 du tube 14 comprise entre 280 µm et 340 µm si le tube 14 comprend une seule couche renforcée 16 ou entre 450 µm et 600 µm si le tube 14 comprend exactement deux couches renforcées 16, permet de former une gaine 4 présentant des dimensions (en particulier diamètre interne et diamètre externe) compatibles avec les pastilles de combustible nucléaire existantes.
L’épaisseur E1 du tube 14 comprise entre 280 µm et 340 µm si le tube 14 comprend une seule couche renforcée 16 ou entre 450 µm et 600 µm si le tube 14 comprend exactement deux couches renforcées 16 permet, avec le tube 14 réalisé au moins en partie en matériau composite, en particulier du type SiC/SiCf ou SiC/Cf, un compromis satisfaisant entre le transfert thermique et la tenue mécanique en fonctionnement normal et en fonctionnement accidentel, avec une bonne tolérance aux dommages pouvant être subis par la gaine 4.
Le tube 14 fermée à ses extrémités axiales par les bouchons 6 et, de préférence muni de la couche externe de protection 22, protège la doublure interne 18 du milieu externe en conditions de fonctionnement normal et en conditions accidentelles.
La gamme d’épaisseur prévue pour la doublure interne 18 permet une tenue mécanique suffisante avant insertion dans le tube 14, une absorption de neutrons limitée et un transfert thermique satisfaisant.
La doublure interne 18 permet d’assurer une étanchéité aux gaz avec un impact limité sur le diamètre interne de la gaine 4.
Le matériau de la doublure 18 doit avoir une faible interaction avec le matériau du tube 14 et avec le combustible nucléaire pour les conditions de températures de conditions accidentelles sévères.
La gamme d’épaisseur prévue pour de la couche externe de protection 22 permet une absorption de neutrons limitée et un transfert thermique satisfaisant, et assure une bonne durée de vie, avec un risque de délamination maitrisé. Elle permet de réaliser une couche externe de protection 22 qui reste protectrice malgré un gonflement du tube 14 sous irradiation, qui est généralement inférieure à 2%.
Claims (22)
- Gaine de crayon de combustible nucléaire, comprenant un tube (14) s’étendant suivant un axe longitudinal et une doublure interne (18) tubulaire reçue à l’intérieur du tube (14), le tube (14) comprenant au moins une couche renforcée (16) réalisée dans un matériau composite comprenant une matrice céramique renforcée avec des fibres de renfort céramiques, l’épaisseur du tube (14) étant comprise entre 280 µm et 600 µm.
- Gaine selon la revendication 1, dans laquelle le tube (14) comprend une seule couche renforcée (16), l’épaisseur du tube (14) étant comprise entre 280 µm et 340 µm.
- Gaine selon la revendication 1, dans laquelle le tube (14) comprend exactement deux couches renforcées, l’épaisseur du tube (14) étant comprise entre 450 µm et 600 µm.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matrice céramique est réalisée en carbure de silicium et/ou les fibres de renfort céramiques sont réalisées en carbure de silicium et/ou en carbone.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une ou chaque couche renforcée (16) est formée avec enroulement filamentaire des fibres de renfort céramiques.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une ou chaque couche renforcée (16) est formée avec enroulement filamentaire des fibres de renfort céramiques sans entrelacement des fibres de renfort céramiques.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une ou chaque couche renforcée (16) est formée avec enroulement filamentaire des fibres de renfort céramiques avec entrelacement des fibres de renfort céramiques, par exemple par tressage des fibres de renfort céramiques.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le tube (14) comprend au moins une couche non renforcée (20), réalisée de préférence dans le même matériau que la matrice céramique.
- Gaine selon la revendication 8, comprenant une couche non renforcée (20) interne recouvrant la ou les couches renforcées (16) du côté de la face interne du tube (14) et/ou une couche non renforcée (20) externe recouvrant le ou les couches renforcées (16) du côté de la face externe du tube (14) et/ou une couche non renforcée (20) intermédiaire intercalée entre deux couches renforcées (16) du tube (14).
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le tube (14) est formé exclusivement de la matrice céramique et des fibres de renfort céramique.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la doublure interne présente une épaisseur comprise entre 50 µm et 200 µm, en particulier entre 50 µm et 150 µm.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la doublure interne (18) est métallique.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la doublure interne (18) est réalisée en zirconium pur ou en un alliage à base de zirconium contenant au moins 95% en poids de zirconium.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la doublure interne (18) est pré-oxydée.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une couche externe de protection (22) recouvrant une surface externe du tube (14).
- Gaine selon la revendication 15, dans laquelle la couche externe de protection (22) est métallique.
- Gaine selon la revendication 15 ou 16, dans laquelle la couche externe de protection (22) est réalisée en chrome pur ou en alliage à base de chrome contenant au moins 85% en poids de chrome ou en zirconium pur ou en alliage à base de zirconium contenant au moins 85% en poids de zirconium ou en titane pur ou en alliage à base de titane contenant au moins 80% en poids de titane.
- Gaine selon l’une quelconque des revendications 15 à 17, dans laquelle la couche externe de protection (22) présente une épaisseur comprise entre 5 µm et 40 µm.
- Crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, du combustible nucléaire reçu à l’intérieur de la doublure interne (18) de la gaine, et deux bouchons (6), chaque bouchon (6) fermant une extrémité axiale respective de la gaine.
- Crayon de combustible nucléaire selon la revendication 19, dans lequel chaque bouchon (6) est réalisé en matériau composite comprenant une matrice céramique renforcée de fibres de renfort céramiques, en particulier une matrice en carbure de silicium renforcée de fibres de renfort en carbures de silicium et/ou en carbone.
- Crayon de combustible nucléaire selon la revendication 19 ou la revendication 20, comprenant deux éléments internes d’obturation (24), fermant chacun une extrémité respective de la doublure interne (18).
- Crayon de combustible nucléaire selon l’une quelconque des revendications 19 à 21, dans lequel la doublure interne (18) contient un gaz, et le gas est de l’hélium et/ou la pression du gaz à l’intérieur de la doublure interne (18) est égale ou inférieure à 200 bars, de préférence égale ou inférieure à 100 bars, encore de préférence égale ou inférieure à 20 bars.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| FR2311105A FR3154225A1 (fr) | 2023-10-16 | 2023-10-16 | Gaine de crayon de combustible nucléaire et procédé de fabrication d’une telle gaine |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR3154225A1 true FR3154225A1 (fr) | 2025-04-18 |
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|---|---|---|---|
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| WO (1) | WO2025083082A1 (fr) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20090032178A1 (en) * | 2004-06-07 | 2009-02-05 | Gamma Engineering Corp. | Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants |
| US20140153688A1 (en) * | 2011-08-01 | 2014-06-05 | Commissariat a I'energie atomique et aux energies | Multilayer tube in ceramic matrix composite material, resulting nuclear fuel cladding and associated manufacturing processes |
| US20180254114A1 (en) * | 2017-03-06 | 2018-09-06 | Westinghouse Electric Company, Llc | Method of manufacturing a reinforced nuclear fuel cladding using an intermediate thermal deposition layer |
-
2023
- 2023-10-16 FR FR2311105A patent/FR3154225A1/fr active Pending
-
2024
- 2024-10-16 WO PCT/EP2024/079239 patent/WO2025083082A1/fr active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090032178A1 (en) * | 2004-06-07 | 2009-02-05 | Gamma Engineering Corp. | Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025083082A1 (fr) | 2025-04-24 |
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