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WO2025093474A1 - Plate-type fuel element comprising a plenum for collecting gas - Google Patents

Plate-type fuel element comprising a plenum for collecting gas Download PDF

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Publication number
WO2025093474A1
WO2025093474A1 PCT/EP2024/080408 EP2024080408W WO2025093474A1 WO 2025093474 A1 WO2025093474 A1 WO 2025093474A1 EP 2024080408 W EP2024080408 W EP 2024080408W WO 2025093474 A1 WO2025093474 A1 WO 2025093474A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel element
plenum
element according
combustible material
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/080408
Other languages
French (fr)
Inventor
Bruno Collard
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
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of WO2025093474A1 publication Critical patent/WO2025093474A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/36Assemblies of plate-shaped fuel elements or coaxial tubes
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/16Details of the construction within the casing
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
    • G21C3/3213Means for the storage or removal of fission gases
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Definitions

  • nuclear fuel element is meant the smallest constituent of a nuclear reactor core having its own structure and containing nuclear fuel.
  • Nuclear fuel elements generally take the form of plates or cylindrical rods, their geometry depending on their purpose.
  • Fuel elements for power generation reactors such as pressurized water reactors, take the form of pellets stacked on top of each other, forming rod-shaped assemblies.
  • the fuel element takes the form of a plate, for example a flat or curved plate.
  • Fuel material regardless of the reactor type, is subjected to a neutron flux and high temperatures. Exposure to high temperatures is accompanied by a release of fission gas.
  • the free volume inside a plate-type fuel element is of the order of a few percent of the total volume of the fuel element. Free volume refers to a volume likely to be occupied by a gas in the fuel element. As the fission gases are released, they accumulate in the free volume. As the release progresses, the internal pressure increases, which can cause swelling or even loss of leaktightness of the fuel element. Excessive internal pressure can cause cracking of the cladding covering the fuel material and constituting the first safety barrier. Reducing the internal pressure increases the burnup rate while ensuring reactor safety.
  • one or more plenums are added, generally at the ends, in order to collect the fission gases.
  • the porosity of the fuel is adjusted to accommodate the release of fission gases, but this degrades the performance of the fuel, in particular thermal conductivity.
  • thermal conductivity can accentuate the formation of thermal gradients in the fuel element.
  • Documents FR2143137 and W02007017503 describe plates comprising cells in which fuel elements are arranged, respectively in the form of microspheres or pellets.
  • the volume fraction occupied by the fuel is low, of the order of 20% or 25%.
  • the invention described below makes it possible to obtain a fuel element whose internal pressure remains controlled, in particular under high combustion rates or at high temperatures, without having to directly adjust the porosity of the fuel.
  • An object of the invention is a fuel element, in the form of a plate, intended to be arranged in a nuclear reactor, the fuel element comprising a combustible material, comprising fissile or fertile material, the combustible material being enveloped in a sheath, the sheath delimiting an internal space, the fuel element being characterized in that it comprises a porous structure, called a plenum, arranged in the internal space, the porous structure comprising a structural material delimiting a free volume, the plenum being configured to collect, in the free volume, gases generated by fission reactions within the combustible material.
  • the fuel element may extend, in thickness, between a first planar end and a second planar end, the fuel element having the shape of a planar plate.
  • the fuel element extends, along a thickness, between a first end and a second end, the first end and the second end being parallel, and describing, in a plane parallel to the thickness, a curved shape, the fuel element having the shape of a curved plate.
  • the plenum extends from one point in the duct, at the first end, to another point in the duct, at the second end.
  • the thermal conductivity of the material forming the plenum is greater than the thermal conductivity of the combustible material.
  • the plenum comprises a plurality of adjoining cells, separated from each other by a wall, each cell delimiting a free space.
  • the cells are distributed according to a regular mesh.
  • Each cell can extend along a polygonal section.
  • each cell is delimited by different sides, the maximum dimension of a side, parallel to a section of the cell, being less than 1 mm or 100 ⁇ m.
  • the plenum may have pillars, extending around the free space.
  • the structural material is of the silicon carbide or molybdenum or depleted uranium or pyrocarbon type and/or a microporous structural material.
  • the plenum extends along the border.
  • the combustible material extends between four corners, with the plenum arranged along one corner.
  • the free volume of the plenum is greater than 1% and less than 10% of the volume of the combustible material.
  • the free volume of the plenum can be less than 5% of the volume of the combustible material.
  • the thickness of the fuel element can be less than 2 cm or 1 cm.
  • the fuel element prior to its introduction into the nuclear reactor, contains fissile material of the Uranium 235 and/or Plutonium 239 type with an isotopy greater than 1%.
  • the fuel element prior to its introduction into the nuclear reactor, contains fertile material, of the Uranium 238 type with an isotopy greater than 99.5%.
  • Figures 1A and 1B schematically illustrate examples of plate-shaped fuel elements having an integrated plenum at one corner.
  • Figures 2A, 2B and 2C show different configurations of a plenum whose structure forms cells.
  • Figure 3 shows a schematic of a fuel element in the form of a curved plate.
  • Figure 4 shows a schematic of a plate-type fuel element comprising a cylindrical plenum.
  • Figure 5 shows a cylindrical plenum, formed of pillars and plates, intended to be integrated into a fuel element.
  • Figure 6 schematizes another rectangular plenum geometry.
  • FIGS 1A and 1B represent a fuel element 1 according to a first embodiment.
  • the fuel element comprises a fuel material 2 formed of fissile material, for example an enriched uranium oxide.
  • the fissile material is then 235 U, the isotopy in 235 U being greater than a few percent or tens of percent.
  • the fissile material may comprise 239 Pu. It may for example be a MOX (Mixed Oxide) type fuel material, comprising plutonium oxide and uranium oxide.
  • MOX Mated Oxide
  • the fuel element 1 is intended for fast neutron reactors.
  • the fuel material may comprise fertile nuclear material 238 U, for example in the form of depleted uranium oxide, or fissile nuclear material, for example in the form of plutonium oxide.
  • the fuel element 1 takes the form of a flat plate.
  • the combustible material 2 extends between a first end 2i and a second end 2 2 .
  • the distance between the first end 2i and the second end 2 2 forms a thickness of the combustible material 2.
  • the first and second ends are flat.
  • the thickness of the combustible material 2 is a few mm, for example 4 mm in the example of Figures 1A and 1B.
  • the fuel element 2 comprises a metal sheath 3, forming a liquid-tight envelope around the combustible material.
  • the sheath 3 is for example made of zirconium. The sheath delimits an internal space, comprising the combustible material.
  • the internal space of the fuel element comprises a structure 4, also referred to as a "plenum".
  • the structure 4 is a porous, or hollow, structure, the porosity being advantageously greater than 30% or even 50% and advantageously greater than 75%.
  • Porosity means a ratio of the free volume of the structure 4 to the total volume of said structure.
  • Free volume means a volume initially filled with air, or another gas, and intended to collect gases resulting from the fission of the fuel material.
  • fuel material means the material comprising the fissile or fertile material, for example UO 2 or PuO 2 .
  • fuel element means the assembly formed by the fuel material, the cladding and the plenum.
  • the plenum 4 can extend along the entire thickness of the combustible material, from the first end 2i to the second end 2 2 . It is then in contact with the sheath 3 at the level of each of said ends.
  • the plenum may extend over only part of the thickness. Along the thickness, two plenums may be superimposed on each other.
  • a plenum of quadrilateral cross-section is shown, running along the edge of the fuel element, at one corner of the edge.
  • a plenum of triangular cross-section in the shape of an isosceles right triangle, is shown running along the edge of the fuel element, at one corner of the edge.
  • a plenum may be arranged at at least one of the four corners.
  • the plenum is placed at the periphery of the combustible material 1.
  • the plenum can be arranged in the center of the combustible material.
  • the plenum structure is made of a structural material that is solid and resistant to the temperature levels likely to be encountered in a nuclear reactor, i.e. temperatures above 800°C or even 1000°C.
  • the structural material has a high thermal conductivity.
  • high thermal conductivity is meant a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the combustible material 2 and preferably greater than that of the cladding 3.
  • the thermal conductivity of the structural material is preferably 5 times or 10 times or 20 times or 30 times greater than the thermal conductivity of the combustible material 2.
  • the fuel material is formed from uranium oxide, whose thermal conductivity ⁇ varies between 3 Wm ⁇ .K ⁇ and 10 Wm ⁇ .K 1 at room temperature.
  • Zirconium (Zr), forming the cladding has a thermal conductivity of about 20 Wm ⁇ .K 1 at room temperature.
  • the melting temperatures of Mo and SiC are 2620 °C and 2800 °C respectively. These values should be compared with the melting temperatures of respective melting points of UO2 and Zr, respectively of the order of 3400 °C and 2400 °C.
  • the structural material may include aluminum or steel.
  • the structural material must also be transparent to neutrons.
  • the structural material is a carbon-based material, for example pyrocarbon or depleted uranium.
  • the structural material must have mechanical strength properties to withstand the manufacturing steps or the stresses encountered during irradiation in a nuclear reactor core.
  • the compressive strength is preferably greater than 100 MPa.
  • SiC has a compressive strength ranging from 3000 to 5000 MPa.
  • Mo has a compressive strength ranging from 200 to 2000 MPa.
  • the structural material has a certain porosity with respect to gases, which is the case for certain SiCs. Mo is more gas-tight.
  • the plenum height may be less than the thickness of the fuel material.
  • openings may be provided in the plenum, so as to allow the passage of gases. This allows the gases to diffuse through the fuel, up to the free volume delimited by the plenum.
  • the connection between the plenum 4 and the cladding 3 is not gas-tight. Fission gases can diffuse through said connection.
  • the plenum may have been made porous during the manufacturing process, by the appearance of micro-cracks in the structural material.
  • the plenum is formed from a microporous structural material, for example a microporous ceramic.
  • the fuel element comprises a plurality of plenums, at the periphery and/or in the central part of the combustible material.
  • the plenum acts as a collector for the fission gases released during fission reactions induced by neutron irradiation of the fuel. Its porosity is as high as possible, so as to optimize the ratio of plenum volume to available free volume.
  • Figures 2A, 2B and 2C show examples of alveolar structures, in which the plenum structure comprises 4 m walls parallel to the main axis Z' of the plenum. These are solid walls, delimiting 4 a cells. Each cell forms the free volume of the plenum.
  • the cells may be polygonal or circular. In Figure 2A, the cells are hexagonal. In Figure 2B, the cells are triangular. In Figure 2C, the cells are diamond-shaped. Preferably, the cells are arranged in a regular mesh pattern. They may extend in a honeycomb-like configuration.
  • Gas may diffuse through walls 4 m , particularly when the structural material is porous or made porous by micro-cracks resulting from manufacturing.
  • the walls may extend to a height less than the thickness of the combustible material, in which case gas diffusion is through the remaining combustible material facing the plenum.
  • a honeycomb structure is considered particularly favorable in terms of mechanical resistance properties and the free volume to total volume ratio of the plenum.
  • the fuel element takes the form of a flat plate.
  • the invention applies to fuel elements having other geometries.
  • the invention applies to fuel elements in the form of curved plates.
  • This type of fuel element is present in certain experimental reactors.
  • the combustible material is contained between two curved parallel faces, respectively forming two ends of the fuel element. In a plane parallel to the thickness of the plate, the two parallel faces respectively describe two parallel curves, or which can be considered as parallel.
  • Such a plate is shown diagrammatically in Figure 3.
  • Figure 4 represents another exemplary embodiment, in which the plenum is arranged in the center of the fuel element 1, the latter being of the flat plate type.
  • the plenum 4 shown schematically in Figure 4 is shown.
  • the structure of the plenum comprises pillars 5, arranged to form different concentric circular contours.
  • the pillars extend between a lower face 4i and an upper face 42.
  • the pillars are parallel to a main axis Z'.
  • the space between the pillars forms the free space.
  • each pillar is oriented perpendicular to the flat ends delimiting the combustible material.
  • the thickness of the fuel element extends along the Z axis.
  • the main axis Z' of the plenum is parallel to the Z axis.
  • the lower surface 4i is in contact with the first end 2i.
  • the upper surface 42 is in contact with the second end 22.
  • the lower and upper surfaces 41, 42 are preferably solid.
  • the solid upper and lower surfaces 4I,4 2 prevent penetration of the sheath into the free volume of the plenum.
  • the cross-section of the plenum i.e. perpendicular to the main axis Z', is circular.
  • the cross-section can be polygonal, for example triangular, quadrilateral or hexagonal.
  • Figure 6 shows a variant in which the plenum structure comprises pillars aligned along the main axis Z'.
  • the cross-section of the plenum is rectangular.
  • Such an embodiment is suitable for arranging the plenum along an edge of a plate-type fuel element.
  • the use of a structural material having a high thermal conductivity promotes heat dissipation, in particular when the plenum is in contact with the sheath 3. Limiting the temperature of the plenum makes it possible to increase the quantity of gas stored for the same pressure level. For this same reason, it is preferable for the plenum to be arranged in a “cold” part of the fuel element, that is to say a part of the fuel element in which the variation in fuel temperature is minimal.
  • the volume occupied by the plenum may be between 1 and 10% of the volume of the combustible material. Preferably, the volume occupied by the plenum is less than 5% of the volume of the combustible material.
  • the addition of a plenum results in a decrease in the volume of the fuel material. This can be compensated by increasing the enrichment of the fissile material contained in the fuel material, so as not to affect the power density of the fuel element.
  • the invention makes it possible to obtain a significant reduction in the internal pressure in the fuel element, by increasing the free volume inside the fuel element.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

The invention relates to a fuel element (1) intended to be arranged in a nuclear reactor, the fuel element comprising a combustible material (2), comprising fissile or fertile material; the fuel element being characterized in that it comprises a porous structure (4), referred to as a plenum, the porosity of which is greater than 50%, comprising a structural material delimiting a free space, the plenum being configured to collect gases generated by fission reactions in the combustible material.

Description

Description Description

Titre : Élément combustible de type plaque comportant un plénum pour le recueil de gaz Title: Plate-type fuel element with a plenum for gas collection

DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL FIELD

Le domaine technique de l'invention concerne des éléments combustibles destinés à être disposés dans un réacteur nucléaire. Par élément combustible nucléaire, on entend le plus petit constituant d'un cœur de réacteur nucléaire ayant une structure propre et contenant du combustible nucléaire. The technical field of the invention relates to fuel elements intended to be arranged in a nuclear reactor. By nuclear fuel element is meant the smallest constituent of a nuclear reactor core having its own structure and containing nuclear fuel.

ART ANTERIEUR PREVIOUS ART

Les éléments combustibles nucléaires prennent généralement la forme de plaques ou de crayons cylindriques, leur géométrie étant dépendante de leur finalité. Nuclear fuel elements generally take the form of plates or cylindrical rods, their geometry depending on their purpose.

Les éléments combustibles destinés à des réacteurs de production d'électricité, de type réacteurs à eau pressurisée, prennent la forme de pastilles empilées les unes sur les autres, formant des assemblages en forme de crayons. Fuel elements for power generation reactors, such as pressurized water reactors, take the form of pellets stacked on top of each other, forming rod-shaped assemblies.

Dans certains réacteurs expérimentaux, l'élément combustible prend la forme d'une plaque, par exemple une plaque plane ou cintrée. In some experimental reactors, the fuel element takes the form of a plate, for example a flat or curved plate.

Le matériau combustible, quel que soit le type de réacteur, est soumis à un flux de neutrons et à des températures élevées. Une exposition à une température importante s'accompagne d'un relâchement de gaz de fission. Le volume libre, à l'intérieur d'un élément combustible de type plaque, est de l'ordre de quelques pourcents du volume total de l'élément combustible. Par volume libre, on entend un volume susceptible d'être occupé par un gaz dans l'élément combustible. Sous l'effet du relâchement des gaz de fission, ces derniers s'accumulent dans le volume libre. Au fur et à mesure du relâchement, la pression interne augmente, pouvant induire un gonflement voire une perte d'étanchéité de l'élément combustible. Une pression interne excessive peut entraîner une fissuration de la gaine recouvrant le matériau combustible et constituant la première barrière de sûreté. Diminuer la pression interne permet d'augmenter le taux de combustion, tout en garantissant la sûreté du réacteur. Fuel material, regardless of the reactor type, is subjected to a neutron flux and high temperatures. Exposure to high temperatures is accompanied by a release of fission gas. The free volume inside a plate-type fuel element is of the order of a few percent of the total volume of the fuel element. Free volume refers to a volume likely to be occupied by a gas in the fuel element. As the fission gases are released, they accumulate in the free volume. As the release progresses, the internal pressure increases, which can cause swelling or even loss of leaktightness of the fuel element. Excessive internal pressure can cause cracking of the cladding covering the fuel material and constituting the first safety barrier. Reducing the internal pressure increases the burnup rate while ensuring reactor safety.

Dans les crayons ou les aiguilles de combustibles, un ou plusieurs plenum sont ajoutés, généralement au niveau des extrémités, de façon à recueillir les gaz de fission. In fuel rods or pins, one or more plenums are added, generally at the ends, in order to collect the fission gases.

Dans les combustibles de type plaque, la porosité du combustible est ajustée, de façon à accommoder le relâchement des gaz de fissions, mais cela dégrade les performances du combustible, en particulier la conductivité thermique. Or, une diminution de la conductivité thermique peut accentuer la formation de gradients thermiques dans l'élément combustible. Une telle solution n'est donc pas pleinement satisfaisante. In plate-type fuels, the porosity of the fuel is adjusted to accommodate the release of fission gases, but this degrades the performance of the fuel, in particular thermal conductivity. However, a decrease in thermal conductivity can accentuate the formation of thermal gradients in the fuel element. Such a solution is therefore not fully satisfactory.

Les documents FR2143137 et W02007017503 décrivent des plaques comportant des alvéoles dans lesquels sont disposés des éléments combustibles, respectivement en forme de microsphère ou de pastilles. La fraction volumique occupée par le combustible est faible, de l'ordre de 20% ou 25%. Documents FR2143137 and W02007017503 describe plates comprising cells in which fuel elements are arranged, respectively in the form of microspheres or pellets. The volume fraction occupied by the fuel is low, of the order of 20% or 25%.

L'invention décrite par la suite permet d'obtenir un élément combustible dont la pression interne reste maîtrisée, en particulier sous fort taux de combustion ou à température élevée, sans avoir à ajuster directement la porosité du combustible. The invention described below makes it possible to obtain a fuel element whose internal pressure remains controlled, in particular under high combustion rates or at high temperatures, without having to directly adjust the porosity of the fuel.

EXPOSE DE L'INVENTION STATEMENT OF THE INVENTION

Un objet de l'invention est un élément combustible, en forme de plaque, destiné à être disposé dans un réacteur nucléaire, l'élément combustible comportant un matériau combustible, comportant de la matière fissile ou fertile, le matériau combustible étant enveloppé d'une gaine, la gaine délimitant un espace interne, l'élément combustible étant caractérisé en ce qu'il comporte une structure poreuse, dite plénum, disposée dans l'espace interne, la structure poreuse comportant un matériau de structure délimitant un volume libre, le plénum étant configuré pour collecter, dans le volume libre, des gaz générés par des réactions de fission au sein du matériau combustible. An object of the invention is a fuel element, in the form of a plate, intended to be arranged in a nuclear reactor, the fuel element comprising a combustible material, comprising fissile or fertile material, the combustible material being enveloped in a sheath, the sheath delimiting an internal space, the fuel element being characterized in that it comprises a porous structure, called a plenum, arranged in the internal space, the porous structure comprising a structural material delimiting a free volume, the plenum being configured to collect, in the free volume, gases generated by fission reactions within the combustible material.

L'élément combustible peut s'étendre, selon une épaisseur, entre une première extrémité plane et une deuxième extrémité plane, l'élément combustible ayant la forme d'une plaque plane.The fuel element may extend, in thickness, between a first planar end and a second planar end, the fuel element having the shape of a planar plate.

Selon une possibilité, l'élément combustible s'étend, selon une épaisseur, entre une première extrémité et une deuxième extrémité, la première extrémité et la deuxième extrémité étant parallèles, et décrivant, dans un plan parallèle à l'épaisseur, une forme courbe, l'élément combustible ayant la forme d'une plaque cintrée. According to one possibility, the fuel element extends, along a thickness, between a first end and a second end, the first end and the second end being parallel, and describing, in a plane parallel to the thickness, a curved shape, the fuel element having the shape of a curved plate.

Selon une possibilité, le plenum s'étend d'un point de la gaine, au niveau de la première extrémité, jusqu'à un autre point de la gaine, au niveau de la deuxième extrémité. According to one possibility, the plenum extends from one point in the duct, at the first end, to another point in the duct, at the second end.

De préférence, la conductivité thermique du matériau formant le plénum est supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible. Preferably, the thermal conductivity of the material forming the plenum is greater than the thermal conductivity of the combustible material.

Selon une possibilité, le plénum comporte une pluralité d'alvéoles jointives, séparées les unes des autres par une paroi, chaque alvéole délimitant un espace libre. According to one possibility, the plenum comprises a plurality of adjoining cells, separated from each other by a wall, each cell delimiting a free space.

Selon une possibilité, les alvéoles sont réparties selon un maillage régulier. Chaque alvéole peut s'étendre selon une section polygonale. According to one possibility, the cells are distributed according to a regular mesh. Each cell can extend along a polygonal section.

Selon une possibilité, chaque alvéole est délimitée par différents côtés, la dimension maximale d'un côté, parallèlement à une section de l'alvéole, étant inférieure à 1 mm ou à 100 pm. Le plénum peut comporter des piliers, s'étendant autour de l'espace libre. According to one possibility, each cell is delimited by different sides, the maximum dimension of a side, parallel to a section of the cell, being less than 1 mm or 100 μm. The plenum may have pillars, extending around the free space.

Selon une possibilité, le matériau de structure est de type carbure de silicium ou molybdène ou uranium appauvri ou pyrocarbone et/ou un matériau de structure microporeux. According to one possibility, the structural material is of the silicon carbide or molybdenum or depleted uranium or pyrocarbon type and/or a microporous structural material.

Selon une possibilité: According to one possibility:

- le matériau combustible est délimité par une bordure ; - the combustible material is delimited by a border;

- le plénum s'étend le long de la bordure. - the plenum extends along the border.

Selon une possibilité, le matériau combustible s'étend entre quatre coins, le plénum étant agencé le long d'un coin. According to one possibility, the combustible material extends between four corners, with the plenum arranged along one corner.

Selon une possibilité, le volume libre du plénum est supérieur à 1 % et inférieur à 10% du volume du matériau combustible. Le volume libre du plénum peut être inférieur à 5% du volume du matériau combustible. According to one possibility, the free volume of the plenum is greater than 1% and less than 10% of the volume of the combustible material. The free volume of the plenum can be less than 5% of the volume of the combustible material.

L'épaisseur de l'élément combustible peut être inférieure à 2 cm ou à 1 cm. The thickness of the fuel element can be less than 2 cm or 1 cm.

Selon une possibilité, l'élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fissile de type Uranium 235 et/ou du Plutonium 239 selon une isotopie supérieure à 1%. According to one possibility, the fuel element, prior to its introduction into the nuclear reactor, contains fissile material of the Uranium 235 and/or Plutonium 239 type with an isotopy greater than 1%.

Selon une possibilité, l'élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fertile, de type Uranium 238 selon une isotopie supérieure à 99.5%. According to one possibility, the fuel element, prior to its introduction into the nuclear reactor, contains fertile material, of the Uranium 238 type with an isotopy greater than 99.5%.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous. The invention will be better understood by reading the description of the exemplary embodiments presented in the remainder of the description, in conjunction with the figures listed below.

FIGURES FIGURES

Les figures IA et IB schématisent des exemples d'éléments combustible en forme de plaques comportant un plénum intégré au niveau d'un coin. Figures 1A and 1B schematically illustrate examples of plate-shaped fuel elements having an integrated plenum at one corner.

Les figures 2A, 2B et 2C montrent différentes configurations d'un plénum dont la structure forme des alvéoles. Figures 2A, 2B and 2C show different configurations of a plenum whose structure forms cells.

La figure 3 schématise un élément combustible en forme de plaque cintrée. Figure 3 shows a schematic of a fuel element in the form of a curved plate.

La figure 4 schématise un élément combustible de type plaque comportant un plénum de forme cylindrique. Figure 4 shows a schematic of a plate-type fuel element comprising a cylindrical plenum.

La figure 5 montre un plénum cylindrique, formé de piliers et de plaques, destiné à être intégré dans un élément combustible. La figure 6 schématise une autre géométrie rectangulaire de plénum. Figure 5 shows a cylindrical plenum, formed of pillars and plates, intended to be integrated into a fuel element. Figure 6 schematizes another rectangular plenum geometry.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS PRESENTATION OF SPECIAL METHODS OF IMPLEMENTATION

Les figures IA et IB représentent un élément combustible 1 selon un premier mode de réalisation. L'élément combustible comporte un matériau combustible 2 formé de matière fissile, par exemple un oxyde d'uranium enrichi. La matière fissile est alors 235U, l'isotopie en 235U étant supérieure à quelques pourcents ou dizaines de pourcents. Alternativement, la matière fissile peut comporter 239Pu. Il peut par exemple s'agir d'un matériau combustible de type MOX (Mixed Oxide - oxyde mixte), comportant de l'oxyde de plutonium et de l'oxyde d'uranium.Figures 1A and 1B represent a fuel element 1 according to a first embodiment. The fuel element comprises a fuel material 2 formed of fissile material, for example an enriched uranium oxide. The fissile material is then 235 U, the isotopy in 235 U being greater than a few percent or tens of percent. Alternatively, the fissile material may comprise 239 Pu. It may for example be a MOX (Mixed Oxide) type fuel material, comprising plutonium oxide and uranium oxide.

Selon une variante, l'élément combustible 1 est destiné à des réacteurs à neutrons rapides. Le matériau combustible peut comporter de la matière nucléaire fertile 238U par exemple sous forme d'oxyde d'uranium appauvri ou de la matière nucléaire fissile, par exemple sous forme d'oxyde de plutonium. According to one variant, the fuel element 1 is intended for fast neutron reactors. The fuel material may comprise fertile nuclear material 238 U, for example in the form of depleted uranium oxide, or fissile nuclear material, for example in the form of plutonium oxide.

Dans l'exemple représenté, l'élément combustible 1 prend la forme d'une plaque plane. Le matériau combustible 2 s'étend entre une première extrémité 2i et une deuxième extrémité 22. La distance entre la première extrémité 2i et la deuxième extrémité 22 forme une épaisseur du matériau combustible 2. Dans cet exemple, les première et deuxième extrémités sont planes. L'épaisseur du matériau combustible 2 est de quelques mm, par exemple 4 mm dans l'exemple des figures IA et IB. De façon classique, l'élément combustible 2 comporte une gaine métallique 3, formant une enveloppe, étanche aux liquides, autour du matériau combustible. La gaine 3 est par exemple constituée de zirconium. La gaine délimite un espace interne, comportant le matériau combustible. In the example shown, the fuel element 1 takes the form of a flat plate. The combustible material 2 extends between a first end 2i and a second end 2 2 . The distance between the first end 2i and the second end 2 2 forms a thickness of the combustible material 2. In this example, the first and second ends are flat. The thickness of the combustible material 2 is a few mm, for example 4 mm in the example of Figures 1A and 1B. Conventionally, the fuel element 2 comprises a metal sheath 3, forming a liquid-tight envelope around the combustible material. The sheath 3 is for example made of zirconium. The sheath delimits an internal space, comprising the combustible material.

L'espace interne de l'élément combustible comporte une structure 4, également désignée par le terme « plénum ». La structure 4 est une structure poreuse, ou creuse, la porosité étant avantageusement supérieure à 30 % voire à 50 % et avantageusement supérieure à 75%. Par porosité, on entend un ratio du volume libre de la structure 4 sur le volume total de ladite structure. Par volume libre, on entend un volume initialement rempli d'air, ou d'un autre gaz, et destiné à collecter des gaz résultant de la fission du matériau combustible. The internal space of the fuel element comprises a structure 4, also referred to as a "plenum". The structure 4 is a porous, or hollow, structure, the porosity being advantageously greater than 30% or even 50% and advantageously greater than 75%. Porosity means a ratio of the free volume of the structure 4 to the total volume of said structure. Free volume means a volume initially filled with air, or another gas, and intended to collect gases resulting from the fission of the fuel material.

Le terme « matériau combustible » désigne le matériau comportant la matière fissile ou fertile, par exemple UO2 ou PuO2. Dans cette description, le terme « élément combustible » désigne l'ensemble formé par le matériau combustible, la gaine et le plénum. The term "fuel material" means the material comprising the fissile or fertile material, for example UO 2 or PuO 2 . In this description, the term "fuel element" means the assembly formed by the fuel material, the cladding and the plenum.

Le plenum 4 peut s'étendre le long de toute l'épaisseur du matériau combustible, de la première extrémité 2i jusqu'à la deuxième extrémité 22. Il est alors en contact avec la gaine 3 au niveau de chacune desdites extrémités. Le plénum peut s'étendre sur une partie seulement de l'épaisseur. Le long de l'épaisseur, deux plénums peuvent être superposés l'un sur l'autre.The plenum 4 can extend along the entire thickness of the combustible material, from the first end 2i to the second end 2 2 . It is then in contact with the sheath 3 at the level of each of said ends. The plenum may extend over only part of the thickness. Along the thickness, two plenums may be superimposed on each other.

Sur la figure IA, on a représenté un plénum de section transversale quadrilatère, longeant la bordure de l'élément combustible, au niveau d'un coin de la bordure. Sur la figure IB, on a représenté un plénum de section transversale triangulaire, de forme triangle rectangle isocèle, longeant la bordure de l'élément combustible, au niveau d'un coin de la bordure. Lorsque l'élément combustible est délimité par quatre coins, un plénum peut être disposé en au moins l'un des quatre coins. In Figure 1A, a plenum of quadrilateral cross-section is shown, running along the edge of the fuel element, at one corner of the edge. In Figure 1B, a plenum of triangular cross-section, in the shape of an isosceles right triangle, is shown running along the edge of the fuel element, at one corner of the edge. When the fuel element is delimited by four corners, a plenum may be arranged at at least one of the four corners.

Dans les exemples représentés sur les figures IA et IB, le plénum est placé à la périphérie du matériau combustible 1. Selon d'autres configurations, décrites en lien avec les figures 4 ou 5, le plénum peut être est disposé au centre du matériau combustible. In the examples shown in Figures 1A and 1B, the plenum is placed at the periphery of the combustible material 1. According to other configurations, described in connection with Figures 4 or 5, the plenum can be arranged in the center of the combustible material.

On estime que pour un élément combustible de dimensions 20 mm x 20 mm x 2 mm, un plénum triangulaire rectangle isocèle, comme représenté sur la figure IB, de 5.7 mm de côté, représentant 4% du volume du matériau combustible, permettrait d'obtenir un gain de 50% de volume libre par rapport à un élément combustible sans plénum. Il en résulterait un gain de pression de 30%. It is estimated that for a fuel element with dimensions of 20 mm x 20 mm x 2 mm, an isosceles right triangular plenum, as shown in Figure 1B, with sides of 5.7 mm, representing 4% of the volume of the combustible material, would provide a 50% gain in free volume compared to a fuel element without a plenum. This would result in a pressure gain of 30%.

Quel que soit le mode de réalisation, la structure du plénum est réalisée avec un matériau de structure solide et résistant aux niveaux de température susceptibles d'être rencontrés dans un réacteur nucléaire, c'est-à-dire des températures supérieures à 800°C voire à 1000 °C. De préférence, le matériau de structure présente une conductivité thermique élevée. Par conductivité thermique élevée, on entend une conductivité thermique supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible 2 et de préférence supérieure à celle de la gaine 3. La conductivité thermique du matériau de structure est de préférence 5 fois ou 10 fois ou 20 fois ou 30 fois supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible 2. Regardless of the embodiment, the plenum structure is made of a structural material that is solid and resistant to the temperature levels likely to be encountered in a nuclear reactor, i.e. temperatures above 800°C or even 1000°C. Preferably, the structural material has a high thermal conductivity. By high thermal conductivity is meant a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the combustible material 2 and preferably greater than that of the cladding 3. The thermal conductivity of the structural material is preferably 5 times or 10 times or 20 times or 30 times greater than the thermal conductivity of the combustible material 2.

Dans cet exemple, le matériau combustible est formé d'oxyde d'uranium, dont la conductivité thermique À varie entre 3 W.m^.K^ et 10 W.m^.K 1 à température ambiante. Le matériau de structure peut être formé à partir d'un matériau de type molybdène (Mo - À =138 W.m^.K 1 à température ambiante), ou de carbure de silicium (SiC - À de l'ordre de 400 W.m^.K 1 à température ambiante). Le zirconium (Zr), formant la gaine, a une conductivité thermique d'environ 20 W.m^.K 1 à température ambiante. Les températures de fusion de Mo et SiC sont respectivement de 2620 °C et 2800 °C. Ces valeurs sont à comparer avec les températures de fusion respectives de UO2 et Zr, respectivement de l'ordre de 3400 °C et de 2400 °C. Le matériau de structure peut comporter de l'aluminium ou de l'acier. In this example, the fuel material is formed from uranium oxide, whose thermal conductivity λ varies between 3 Wm^.K^ and 10 Wm^.K 1 at room temperature. The structural material can be formed from a molybdenum-type material (Mo - λ = 138 Wm^.K 1 at room temperature), or from silicon carbide (SiC - λ of the order of 400 Wm^.K 1 at room temperature). Zirconium (Zr), forming the cladding, has a thermal conductivity of about 20 Wm^.K 1 at room temperature. The melting temperatures of Mo and SiC are 2620 °C and 2800 °C respectively. These values should be compared with the melting temperatures of respective melting points of UO2 and Zr, respectively of the order of 3400 °C and 2400 °C. The structural material may include aluminum or steel.

Le matériau de structure doit également être transparent à l'égard des neutrons. The structural material must also be transparent to neutrons.

Selon une possibilité, le matériau de structure est un matériau à base de carbone, par exemple du pyrocarbone ou de l'uranium appauvri. Alternatively, the structural material is a carbon-based material, for example pyrocarbon or depleted uranium.

Le matériau de structure doit comporter des propriétés de résistance mécanique, pour résister aux étapes de fabrication ou aux contraintes rencontrées lors de l'irradiation dans un cœur de réacteur nucléaire. La résistance à la compression est de préférence supérieure à 100 MPa. Le SiC présente une résistance à la compression variant entre 3000 et 5000 MPa. Le Mo présente une résistance à la compression variant entre 200 et 2000 MPa. The structural material must have mechanical strength properties to withstand the manufacturing steps or the stresses encountered during irradiation in a nuclear reactor core. The compressive strength is preferably greater than 100 MPa. SiC has a compressive strength ranging from 3000 to 5000 MPa. Mo has a compressive strength ranging from 200 to 2000 MPa.

De préférence, le matériau de structure présente une certaine porosité à l'égard des gaz, ce qui est le cas de certains SiC. Le Mo est davantage étanche à l'égard des gaz. Afin que les gaz puissent s'accumuler dans le volume libre à l'intérieur du plénum, lorsque le matériau de structure est étanche aux gaz, la hauteur de plénum peut être inférieure à l'épaisseur du matériau combustible. En complément ou en alternative, des ouvertures peuvent être ménagées dans le plénum, de façon à permettre le passage de gaz. Cela permet aux gaz de diffuser à travers le combustible, jusqu'au volume libre délimité par le plénum. Selon une possibilité, la liaison entre le plénum 4 et la gaine 3 n'est pas étanche aux gaz. Les gaz de fission peuvent diffuser à travers ladite liaison. Preferably, the structural material has a certain porosity with respect to gases, which is the case for certain SiCs. Mo is more gas-tight. In order for gases to be able to accumulate in the free volume inside the plenum, when the structural material is gas-tight, the plenum height may be less than the thickness of the fuel material. In addition or as an alternative, openings may be provided in the plenum, so as to allow the passage of gases. This allows the gases to diffuse through the fuel, up to the free volume delimited by the plenum. According to one possibility, the connection between the plenum 4 and the cladding 3 is not gas-tight. Fission gases can diffuse through said connection.

Le plénum peut avoir été rendu poreux durant le procédé de fabrication, par l'apparition de microfissurations dans le matériau de structure. The plenum may have been made porous during the manufacturing process, by the appearance of micro-cracks in the structural material.

Selon une possibilité, le plénum est formé d'un matériau de structure microporeux, par exemple une céramique microporeuse. Alternatively, the plenum is formed from a microporous structural material, for example a microporous ceramic.

Selon une possibilité, l'élément combustible comporte une pluralité de plenums, en périphérie et/ou dans la partie centrale du matériau combustible. According to one possibility, the fuel element comprises a plurality of plenums, at the periphery and/or in the central part of the combustible material.

Le plénum fait office de collecteur des gaz de fission relâchés au cours de réactions de fission induites par l'irradiation neutronique du combustible. Sa porosité est la plus élevée possible, de façon à optimiser le ratio volume du plénum sur volume libre disponible. The plenum acts as a collector for the fission gases released during fission reactions induced by neutron irradiation of the fuel. Its porosity is as high as possible, so as to optimize the ratio of plenum volume to available free volume.

Les figures 2A, 2B et 2C montrent des exemples de structures alvéolaires, dans lesquels la structure du plénum comporte des parois 4m parallèles 4m à l'axe principal Z' du plénum. Il s'agit de parois pleines, délimitant des alvéoles 4a. Chaque alvéole forme le volume libre du plénum. Les alvéoles peuvent être polygonales ou circulaires. Sur la figure 2A, les alvéoles sont hexagonales. Sur la figure 2B, les alvéoles sont triangulaires. Sur la figure 2C, les alvéoles sont losanges. De préférence, les alvéoles sont agencées selon un maillage régulier. Elles peuvent s'étendre selon une configuration de type nid d'abeilles. Figures 2A, 2B and 2C show examples of alveolar structures, in which the plenum structure comprises 4 m walls parallel to the main axis Z' of the plenum. These are solid walls, delimiting 4 a cells. Each cell forms the free volume of the plenum. The cells may be polygonal or circular. In Figure 2A, the cells are hexagonal. In Figure 2B, the cells are triangular. In Figure 2C, the cells are diamond-shaped. Preferably, the cells are arranged in a regular mesh pattern. They may extend in a honeycomb-like configuration.

Le gaz peut diffuser à travers les parois 4m, en particulier lorsque le matériau de structure est poreux ou rendu poreux par des microfissurations résultant de la fabrication. Les parois peuvent s'étendre selon une hauteur inférieure à l'épaisseur du matériau combustible, auquel cas la diffusion de gaz est effectuée à travers le matériau combustible subsistant face au plénum.Gas may diffuse through walls 4 m , particularly when the structural material is porous or made porous by micro-cracks resulting from manufacturing. The walls may extend to a height less than the thickness of the combustible material, in which case gas diffusion is through the remaining combustible material facing the plenum.

Une structure alvéolaire est considérée comme particulièrement favorable relativement aux propriétés de résistance mécanique et au ratio volume libre sur volume total du plénum.A honeycomb structure is considered particularly favorable in terms of mechanical resistance properties and the free volume to total volume ratio of the plenum.

Sur les figures IA et IB, l'élément combustible prend la forme d'une plaque plane. Cependant, l'invention s'applique à des éléments combustibles présentant d'autres géométries. Par exemple, l'invention s'applique à des éléments combustibles en forme de plaques cintrées. Ce type d'élément combustible est présent dans certains réacteurs expérimentaux. Le matériau combustible est contenu entre deux faces parallèles courbes, formant respectivement deux extrémités de l'élément combustible. Dans un plan parallèle à l'épaisseur de la plaque, les deux faces parallèles décrivent respectivement deux courbes parallèles, ou pouvant être considérées comme parallèles. Une telle plaque est schématisée sur la figure 3. In Figures 1A and 1B, the fuel element takes the form of a flat plate. However, the invention applies to fuel elements having other geometries. For example, the invention applies to fuel elements in the form of curved plates. This type of fuel element is present in certain experimental reactors. The combustible material is contained between two curved parallel faces, respectively forming two ends of the fuel element. In a plane parallel to the thickness of the plate, the two parallel faces respectively describe two parallel curves, or which can be considered as parallel. Such a plate is shown diagrammatically in Figure 3.

La figure 4 représente un autre exemple de réalisation, dans lequel le plenum est disposé au centre de l'élément combustible 1, ce dernier étant de type plaque plane. Figure 4 represents another exemplary embodiment, in which the plenum is arranged in the center of the fuel element 1, the latter being of the flat plate type.

Sur la figure 5, on a représenté le plénum 4 schématisé sur la figure 4. La structure du plénum comporte des piliers 5, agencés en formant différents contours circulaires concentriques. Les piliers s'étendent entre une face inférieure 4i et une face supérieure 42. Les piliers sont parallèles à un axe principal Z'. L'espace entre les piliers forme l'espace libre. Lorsque le plénum est intégré dans l'élément combustible, chaque pilier est orienté perpendiculairement aux extrémités planes délimitant le matériau combustible. Sur la figure 5, l'épaisseur de l'élément combustible s'étend le long de l'axe Z. L'axe principal Z' du plénum est parallèle à l'axe Z. La surface inférieure 4i est en contact avec la première extrémité 2i. La surface supérieure 42 est en contact avec la deuxième extrémité 22. Les surfaces inférieure et supérieure 41,42 sont de préférence pleines. Lors de la fabrication de l'élément combustible, ou lors de son utilisation, les surfaces supérieure et inférieure 4I,42 pleines évitent une pénétration de la gaine dans le volume libre du plénum. Dans cet exemple, la section transversale du plénum, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe principal Z', est circulaire. Selon des variantes, la section transversale peut être polygonale, par exemple triangulaire, quadrilatère ou hexagonale. In Figure 5, the plenum 4 shown schematically in Figure 4 is shown. The structure of the plenum comprises pillars 5, arranged to form different concentric circular contours. The pillars extend between a lower face 4i and an upper face 42. The pillars are parallel to a main axis Z'. The space between the pillars forms the free space. When the plenum is integrated into the fuel element, each pillar is oriented perpendicular to the flat ends delimiting the combustible material. In Figure 5, the thickness of the fuel element extends along the Z axis. The main axis Z' of the plenum is parallel to the Z axis. The lower surface 4i is in contact with the first end 2i. The upper surface 42 is in contact with the second end 22. The lower and upper surfaces 41, 42 are preferably solid. During the manufacture of the fuel element, or during its use, the solid upper and lower surfaces 4I,4 2 prevent penetration of the sheath into the free volume of the plenum. In this example, the cross-section of the plenum, i.e. perpendicular to the main axis Z', is circular. According to variants, the cross-section can be polygonal, for example triangular, quadrilateral or hexagonal.

La figure 6 représente une variante selon laquelle la structure du plénum comporte des piliers alignés selon l'axe principal Z'. La section transversale du plénum est rectangulaire. Un tel mode de réalisation convient à une disposition du plénum le long d'une bordure d'un élément combustible de type plaque. Figure 6 shows a variant in which the plenum structure comprises pillars aligned along the main axis Z'. The cross-section of the plenum is rectangular. Such an embodiment is suitable for arranging the plenum along an edge of a plate-type fuel element.

Quel que soit le mode de réalisation, le recours à un matériau de structure ayant une conductivité thermique élevée favorise une évacuation de la chaleur, en particulier lorsque le plénum est en contact avec la gaine 3. La limitation de la température du plénum permet d'augmenter la quantité de gaz stockée pour un même niveau de pression. Pour cette même raison, il est préférable que le plénum soit disposé dans une partie « froide » de l'élément combustible, c'est-à-dire une partie de l'élément combustible dans laquelle la variation de température du combustible est minimale. Regardless of the embodiment, the use of a structural material having a high thermal conductivity promotes heat dissipation, in particular when the plenum is in contact with the sheath 3. Limiting the temperature of the plenum makes it possible to increase the quantity of gas stored for the same pressure level. For this same reason, it is preferable for the plenum to be arranged in a “cold” part of the fuel element, that is to say a part of the fuel element in which the variation in fuel temperature is minimal.

Le volume occupé par le plénum peut être compris entre 1 et 10% du volume du matériau combustible. De préférence, le volume occupé par le plénum est inférieur à 5% du volume du matériau combustible. The volume occupied by the plenum may be between 1 and 10% of the volume of the combustible material. Preferably, the volume occupied by the plenum is less than 5% of the volume of the combustible material.

Plusieurs techniques de fabrication permettent d'obtenir un plénum : fabrication additive, moulage, ablation laser. Several manufacturing techniques can be used to obtain a plenum: additive manufacturing, molding, laser ablation.

Quel que soit le mode de réalisation, l'ajout d'un plénum engendre une diminution du volume du matériau combustible. Cela peut être compensé en augmentant l'enrichissement de la matière fissile comprise dans le matériau combustible, de façon à ne pas affecter la densité de puissance de l'élément combustible Regardless of the embodiment, the addition of a plenum results in a decrease in the volume of the fuel material. This can be compensated by increasing the enrichment of the fissile material contained in the fuel material, so as not to affect the power density of the fuel element.

L'invention permet d'obtenir une diminution significative de la pression interne dans l'élément combustible, par l'augmentation du volume libre à l'intérieur de l'élément combustible. The invention makes it possible to obtain a significant reduction in the internal pressure in the fuel element, by increasing the free volume inside the fuel element.

Claims

REVENDICATIONS 1. Élément combustible (1), en forme de plaque, destiné à être disposé dans un réacteur nucléaire, l'élément combustible comportant un matériau combustible (2), comportant de la matière fissile ou fertile, le matériau combustible étant enveloppé d'une gaine (3), la gaine délimitant un espace interne l'élément combustible étant caractérisé en ce qu'il comporte une structure poreuse (4), dite plénum, disposée dans l'espace interne, la structure poreuse comportant un matériau de structure délimitant un volume libre, le plénum étant configuré pour collecter, dans le volume libre, des gaz générés par des réactions de fission au sein du matériau combustible, et en ce que le volume libre du plénum est supérieur à 1 % et inférieur à 10% du volume du matériau combustible. 1. Fuel element (1), in the form of a plate, intended to be arranged in a nuclear reactor, the fuel element comprising a combustible material (2), comprising fissile or fertile material, the combustible material being enveloped in a sheath (3), the sheath delimiting an internal space, the fuel element being characterized in that it comprises a porous structure (4), called a plenum, arranged in the internal space, the porous structure comprising a structural material delimiting a free volume, the plenum being configured to collect, in the free volume, gases generated by fission reactions within the combustible material, and in that the free volume of the plenum is greater than 1% and less than 10% of the volume of the combustible material. 2. Elément combustible selon la revendication 1, dans lequel le matériau combustible (2) s'étend, selon une épaisseur, entre une première extrémité plane (2i) et une deuxième extrémité plane (22), l'élément combustible ayant la forme d'une plaque plane. 2. Fuel element according to claim 1, in which the combustible material (2) extends, according to a thickness, between a first flat end (2i) and a second flat end (22), the fuel element having the shape of a flat plate. 3. Elément combustible selon la revendication 1, dans lequel le matériau combustible (2) s'étend selon une épaisseur, entre une première extrémité et une deuxième extrémité, la première extrémité et la deuxième extrémité étant parallèles, et décrit, dans un plan parallèle à l'épaisseur, une forme courbe, l'élément combustible ayant la forme d'une plaque cintrée. 3. Fuel element according to claim 1, in which the combustible material (2) extends along a thickness, between a first end and a second end, the first end and the second end being parallel, and describes, in a plane parallel to the thickness, a curved shape, the fuel element having the shape of a curved plate. 4. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le plenum s'étend d'un point de la gaine, au niveau de la première extrémité, jusqu'à un autre point de la gaine, au niveau de la deuxième extrémité. 4. A fuel element according to any preceding claim, wherein the plenum extends from one point on the sheath, at the first end, to another point on the sheath, at the second end. 5. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la conductivité thermique du matériau formant le plénum est supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible. 5. A fuel element according to any preceding claim, wherein the thermal conductivity of the material forming the plenum is greater than the thermal conductivity of the combustible material. 6. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le plénum comporte une pluralité d'alvéoles (4a) jointives, séparées les unes des autres par une paroi (4m), chaque alvéole délimitant un espace libre. 6. Fuel element according to any one of the preceding claims, in which the plenum comprises a plurality of adjoining cells (4 a ), separated from each other by a wall (4 m ), each cell delimiting a free space. 7. Elément combustible selon la revendication 6, dans lequel les alvéoles sont réparties selon un maillage régulier. 7. Fuel element according to claim 6, in which the cells are distributed according to a regular mesh. 8. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7 , dans lequel chaque alvéole s'étend selon une section polygonale. 8. Fuel element according to any one of claims 6 or 7, in which each cell extends in a polygonal section. 9. Elément combustible selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel chaque alvéole est délimitée par différents côtés, la dimension maximale d'un côté, parallèlement à une section de l'alvéole, étant inférieure à 1 mm ou à 100 pm. 9. Fuel element according to claim 7 or claim 8, in which each cell is delimited by different sides, the maximum dimension of a side, parallel to a section of the cell, being less than 1 mm or 100 pm. 10. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le plénum comporte des piliers, s'étendant autour de l'espace libre. 10. A fuel element according to any one of claims 1 to 5, wherein the plenum comprises pillars, extending around the free space. 11. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau de structure est de type carbure de silicium ou molybdène ou uranium appauvri ou pyrocarbone et/ou un matériau de structure microporeux. 11. Fuel element according to any one of the preceding claims in which the structural material is of the silicon carbide or molybdenum or depleted uranium or pyrocarbon type and/or a microporous structural material. 12. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau de structure présente une résistance à la compression supérieure à 100 MPa. 12. Fuel element according to any one of the preceding claims, in which the structural material has a compressive strength greater than 100 MPa. 13. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :13. Fuel element according to any one of the preceding claims, wherein: - le matériau combustible est délimité par une bordure ; - the combustible material is delimited by a border; - le plénum s'étend le long de la bordure. - the plenum extends along the border. 14. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau combustible s'étend entre quatre coins, le plénum étant agencé le long d'un coin. 14. A fuel element according to any preceding claim, wherein the combustible material extends between four corners, the plenum being arranged along one corner. 15. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le volume libre du plénum est inférieur à 5% du volume du matériau combustible. 15. Fuel element according to any one of the preceding claims, wherein the free volume of the plenum is less than 5% of the volume of the combustible material. 16. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'épaisseur de l'élément combustible étant inférieure à 2 cm ou à 1 cm. 16. Fuel element according to any one of the preceding claims, the thickness of the fuel element being less than 2 cm or 1 cm. 17. Élément combustible selon l'une quelconque précédente, dans lequel l'élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fissile de type Uranium 235 et/ou du Plutonium 239 selon une isotopie supérieure à 1%. 17. A fuel element according to any preceding claim, wherein the fuel element, prior to its introduction into the nuclear reactor, comprises fissile material of the Uranium 235 and/or Plutonium 239 type according to an isotopy greater than 1%. 18. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel l'élément combustible, préalablement à son introduction dans le réacteur nucléaire, comporte de la matière fertile, de type Uranium 238 selon une isotopie supérieure à 99.5%. 18. Fuel element according to any one of claims 1 to 16, in which the fuel element, prior to its introduction into the nuclear reactor, comprises fertile material, of the Uranium 238 type according to an isotopy greater than 99.5%.
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