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WO2025093475A1 - Fuel element having improved thermal properties - Google Patents

Fuel element having improved thermal properties Download PDF

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Publication number
WO2025093475A1
WO2025093475A1 PCT/EP2024/080410 EP2024080410W WO2025093475A1 WO 2025093475 A1 WO2025093475 A1 WO 2025093475A1 EP 2024080410 W EP2024080410 W EP 2024080410W WO 2025093475 A1 WO2025093475 A1 WO 2025093475A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel element
insert
fuel
element according
inserts
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/EP2024/080410
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 WO2025093475A1 publication Critical patent/WO2025093475A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • G21C3/18Internal spacers or other non-active material within the casing, e.g. compensating for expansion of fuel rods or for compensating excess reactivity
    • 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
    • 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

  • the technical field of the invention relates to combustible material elements intended to be arranged in a nuclear reactor.
  • Nuclear fuel element means the smallest constituent of a nuclear reactor core having its own structure and containing nuclear fuel.
  • Nuclear fuel elements generally take the form of cylindrical plates or pellets or spheres, 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 material takes the form of flat or curved plates.
  • the fuel material regardless of the reactor type, is subjected to a neutron flux and high temperatures as well as significant temperature gradients. Exposure to high temperatures is accompanied by an accelerated release of fission gases and an increase in internal pressure, which can lead to swelling or even loss of leaktightness of the fuel element.
  • the fuel material is in the form of plates
  • the air gap between two successive plates can also be increased. However, this lowers the power density of the reactor.
  • each plate can be thinned, so as to reduce the temperature gradient across the plate but a thin plate is more difficult to manufacture.
  • thermal gradients Another option to limit the formation of thermal gradients is to change the nature of the fuel material, using a metallic fuel, which has improved thermal conductivity.
  • Research projects include the production of fuels from metal alloys, such as UAI, UaSiI, UMo, UZr.
  • Other forms of uranium-based fuels are also being explored, such as TRISO (TRI-structural ISOtropic) particles for new reactor concepts such as high-temperature reactors, sodium-cooled fast reactors (SFRs) or microreactors.
  • US20210125735 describes a cylindrical fuel element comprising a metal frame.
  • US3097152 describes a plate-shaped fuel element comprising a metal mesh.
  • EP1913600 describes a honeycomb structure, into which pellet-shaped fuel elements are inserted.
  • KR101383654 describes a fuel element in the form of a perforated plate, so as to allow the introduction of a thermally conductive insert.
  • An object of the invention is a fuel element, intended to be arranged in a nuclear reactor, the fuel element comprising a combustible material, comprising fissile or fertile material, the combustible material extending between a first end and a second end, the fuel element comprising at least one insert, extending, through the combustible material, between the first and the second ends, the insert or each insert comprising a thermally conductive material, the thermal conductivity of which is greater than the thermal conductivity of the combustible material.
  • the fuel element can extend along a plate.
  • the fuel element may include a sheath, enveloping the combustible material.
  • At least one insert, or each insert extends from one point of the sheath, at the first end, to another point of the sheath, at the second end.
  • the thermal conductivity of the thermally conductive material may be greater than the thermal conductivity of the material forming the sheath.
  • the first end and the second end are planar, the fuel element taking the form of a planar plate.
  • the fuel element extends along a thickness, between the first end and the 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 thermally conductive material comprises at least one material chosen from: molybdenum, chromium, silicon carbide.
  • the diameter or largest diagonal of said insert, or of each insert, is less than 0.5 mm.
  • Each insert can be a cylinder of revolution.
  • the fuel element has several inserts
  • each insert extends perpendicular to the first end and to the second end.
  • the thickness of the fuel element can be less than 2 cm or 1 cm.
  • the inserts can be distributed according to a regular mesh in the fuel element.
  • Figure 1A shows a diagram of a fuel element according to a first embodiment.
  • Figure 1B shows a fuel element according to a second embodiment.
  • Figure 2 represents the thermal conductivity (y-axis) of a UO2 (uranium oxide) fuel element as a function of the volume fraction of conductive inserts (x-axis).
  • Figure 3 illustrates a temperature gradient in a median plane of a fuel element according to the invention.
  • the X and Y axes are spatial dimensions.
  • the vertical axis, as well as the color code, correspond to temperature levels.
  • Figure 4 represents the thermal conductivity (y-axis) of a UO2 (uranium oxide) fuel element as a function of the volume fraction of conductive inserts (x-axis) taking into account different geometries of the conductive inserts.
  • UO2 uranium oxide
  • Figure 5 shows the steps involved in manufacturing a fuel element using additive manufacturing.
  • Figure 6 shows a schematic of a fuel element in the form of a curved plate.
  • Figure 1A represents a fuel element 1 according to a first embodiment.
  • the fuel element comprises a combustible material formed from the fissile material 2, 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 combustible 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 thickness of the combustible material 2 is a few mm, for example 4 mm in the example of figure 1A.
  • the fuel element 2 comprises a metal sheath 3, forming a sealed envelope around the combustible material.
  • the sheath 3 is for example formed of zirconium.
  • the latter comprises several inserts 4, extending between the first end 2i and the second end 22.
  • the first and second ends are flat.
  • the inserts 4 preferably extend perpendicular to each end.
  • the inserts 4 extend from the first end 2i to the second end 22.
  • each insert 4 is preferably in contact with the sheath 3.
  • the fuel material is formed from uranium oxide, whose thermal conductivity ⁇ varies between 3 Wm ⁇ .K 1 and 10 Wm ⁇ .K 1 at room temperature.
  • Zirconium (Zr), forming the cladding has a thermal conductivity of approximately 20 Wm ⁇ .K 1 at room temperature.
  • the melting temperature of the material forming the inserts is preferably above 1000 °C.
  • the melting temperatures of Mo, Cr and SiC are respectively 2620 °C, 1910 °C and 2800 °C. These values are to be compared with the respective melting temperatures of UO2 and Zr, respectively of the order of 3400 °C and 2400 °C.
  • the invention consists in integrating, in each fuel element 1, a thermally conductive phase, corresponding to each insert 4.
  • the inserts 4 are distributed, preferably as homogeneously as possible, in the combustible material 2.
  • the volume fraction of the thermally conductive phase i.e. all of the inserts
  • the volume fraction must be sufficiently high to allow homogenization of the temperature within the combustible material, while being sufficiently low so as not to excessively reduce the power density of the fuel element compared to a fuel element without an insert.
  • thermally conductive phase The purpose of the thermally conductive phase is to promote temperature homogenization within the fuel element. This reduces thermal gradients in the fuel material, as well as the maximum temperature and the average temperature of the fuel material.
  • Each insert 4 forms a thermal bridge, preferably oriented in the direction of the main heat flow, i.e. perpendicular to the plate forming the fuel element. This corresponds to the Z axis in Figures 1A and 1B.
  • Each insert 4 may have a cylindrical shape, for example a cylindrical shape of revolution.
  • the diameter of each insert may be between a few tens of ⁇ m and a few hundred ⁇ m. Preferably, the diameter of each insert is less than 1 mm or 0.5 mm, and preferably less than 0.2 mm or 0.1 mm.
  • the length of each insert is preferably equal to the thickness of the combustible material.
  • the base of each cylindrical insert 4 may be circular or polygonal, for example with a square or hexagonal section.
  • the inserts are preferably distributed according to a regular mesh in the combustible material 2.
  • the pitch between two adjacent inserts i.e. the distance between two inserts closest to each other, is for example of the order of the thickness of the combustible material, or less than the latter.
  • the mesh can be defined according to a square, rectangular or triangular elementary mesh. A square or triangular elementary mesh is considered optimal.
  • the inserts are shown in different shades of gray to facilitate readability.
  • the volume fraction of the inserts is 7.7%.
  • Each insert is a cylinder of revolution with a radius of 0.4 mm, with a pitch between the inserts of 2.3 mm.
  • the thickness of the combustible material is 4 mm.
  • the thickness of the cladding is 1 mm.
  • the cladding has only been shown at the first end 2i of the combustible material.
  • the volume fraction of the inserts is 5.7%.
  • Each insert is a cylinder of revolution with a radius of 0.2 mm, the pitch between the inserts being 1.4 mm, the inserts being distributed according to a regular triangular mesh.
  • the thickness of the combustible material is 4 mm.
  • the thickness of the cladding is 1 mm.
  • Figure 2 represents the ideal axial thermal conductivity (i.e. along the Z axis - ordinate axis - unit Wm ⁇ .K 1 ) (theoretical maximum) as a function of the volume fraction of the conductive phase (abscissa axis - %), the latter corresponding to the volume percentage of inserts 4 embedded in the combustible material 2.
  • the prior art corresponds to a volume fraction of 0%. Compared to the prior art:
  • n% in thermal conductivity An increase of n% in thermal conductivity is considered to reduce the amplitude of the axial thermal gradient across the combustible material by n%.
  • the amplitude of the axial thermal gradient corresponds to the maximum temperature difference in the combustible material along the Z axis.
  • the average temperature is determined in the median plane of the combustible material, i.e. in a plane parallel to the plate, passing through the mid-thickness.
  • Figure 3 represents a local temperature field in the median plane of a combustible material considering inserts of radius 0.2 mm, whose volume fraction is 3.5%, for a volume power of 600W/cm 3 .
  • the maximum temperature is equal to 386 °C.
  • the average combustible temperature in the plate is approximately 300°C, compared to 400°C for a configuration without insert.
  • Figure 4 shows the thermal conductivity of a combustible material (y-axis - unit Wm ⁇ .K 1 ) as a function of the insert volume fraction (x-axis - %), taking into account cylindrical inserts of revolution with radii of 0.4 mm (curve a), 0.2 mm (curve b).
  • Curve c corresponds to an ideal homogeneous distribution of the inserts in the volume fraction, as described in connection with Figure 2.
  • the fact that the inserts are arranged discontinuously in the combustible material induces a difference between the expected performances in the ideal homogeneous configuration (see Figure 2 or curve c of Figure 4), and realistic configurations, taking into account the dimensions of the inserts (curves a and b of Figure 4). It is observed that by reducing the radius from 0.4 mm to 0.2 mm, a gain of 20% on the thermal conductivity is obtained.
  • Figure 5 shows the main steps of a fuel element manufacturing process as previously described.
  • the process is an additive manufacturing process, in which layers are successively manufactured, superimposed on each other. Each layer can be made by depositing a powder and solidifying it.
  • the process involves the following steps:
  • Step 100 supply of combustible material in the form of a powder
  • Step 110 Solidification of the combustible material powder by exposure to a heat source, usually a laser beam. Solidification of the powder can be achieved by scanning the laser beam;
  • Step 120 supply of the material forming the inserts in the form of a powder of said material;
  • Step 130 solidification of the powder of said material by exposure to the heat source.
  • Steps 100 to 130 are implemented to form a first layer, then repeated so as to form, during each iteration, a layer superimposed on the layer resulting from the previous iteration.
  • step 100 may be carried out, then step 120, with solidification steps 110 and 130 being combined into a single solidification step.
  • Steps 120 and 130 may be carried out, then 100 and 110.
  • the invention makes it possible to obtain a significant reduction in the internal pressure in the fuel element:
  • Improved thermal conductivity allows for thicker fuel elements, which reduces the number of plates in a single assembly.
  • the amount of nuclear material in a single assembly volume can be increased compared to the prior art.
  • the improvement in thermal conductivity makes it possible to use a fuel material with a higher porosity than in the prior art, so as to increase the free volume, i.e. the volume intended to be occupied by gases resulting from fission. This makes it possible to reduce the internal pressure in the fuel element.
  • the inserts extend on both sides around a median plane, the median plane passing through the mid-thickness of the plate.
  • the plate has a middle part, extending around the median plane, without an insert.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
  • Thermal Insulation (AREA)

Abstract

The invention relates to a fuel element (1) intended to be arranged in a nuclear reactor, the fuel element comprising a fuel material (2) that comprises fissile or fertile material, the fuel material extending between a first end (21) and a second end (22), the fuel element comprising at least one insert (4) extending through the fuel material between the first and second ends, wherein the insert or each insert comprises a thermally conductive material having a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the fuel material.

Description

Description Description

Titre : Élément combustible à propriétés thermiques améliorées Title: Fuel element with improved thermal properties

DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL FIELD

Le domaine technique de l'invention concerne des éléments matériau combustibles destinés à être disposés dans un réacteur nucléaire. The technical field of the invention relates to combustible material elements intended to be arranged in a nuclear reactor.

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. Nuclear fuel element means 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 pastilles cylindriques ou de sphères, leur géométrie étant dépendante de leur finalité. Nuclear fuel elements generally take the form of cylindrical plates or pellets or spheres, 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. Dans certains réacteurs expérimentaux, le matériau combustible prend la forme de plaques planes ou courbes. 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. In some experimental reactors, the fuel material takes the form of flat or curved plates.

Le matériau combustible, quel que soit le type de réacteur, est soumis à un flux de neutrons et à des températures élevées ainsi qu'à des gradients de température importants. Une exposition à une température importante s'accompagne d'un relâchement accéléré de gaz de fission, et d'une augmentation de la pression interne, pouvant induire un gonflement voire une perte d'étanchéité de l'élément combustible. The fuel material, regardless of the reactor type, is subjected to a neutron flux and high temperatures as well as significant temperature gradients. Exposure to high temperatures is accompanied by an accelerated release of fission gases and an increase in internal pressure, which can lead to swelling or even loss of leaktightness of the fuel element.

Afin de limiter l'apparition de gradients thermiques élevés, il est possible de limiter la température de fonctionnement du réacteur. Mais cela se traduit par une perte de puissance.To limit the occurrence of high thermal gradients, it is possible to limit the operating temperature of the reactor. But this results in a loss of power.

Lorsque le matériau combustible se présente sous la forme de plaques, pour éviter d'exposer le combustible nucléaire à des températures trop élevées, on peut aussi augmenter l'entrefer entre deux plaques successives. Cependant, cela abaisse la densité de puissance du réacteur.When the fuel material is in the form of plates, to avoid exposing the nuclear fuel to excessively high temperatures, the air gap between two successive plates can also be increased. However, this lowers the power density of the reactor.

Par ailleurs, chaque plaque peut être amincie, de façon à réduire le gradient de température à travers la plaque mais une plaque mince est plus difficile à fabriquer. Furthermore, each plate can be thinned, so as to reduce the temperature gradient across the plate but a thin plate is more difficult to manufacture.

Une autre option, permettant de limiter la formation de gradients thermiques, est de changer la nature du matériau combustible, en utilisant un combustible de type métallique, dont la conductivité thermique est améliorée. Des projets de recherche comprennent notamment la production de combustibles en alliages métalliques, comme UAI, UaSiî, UMo, UZr. D'autres formes de combustibles à base d'uranium sont également explorées, comme les particules TRISO (TRI-structural ISOtropic - Structure 3D isotrope) pour des nouveaux concepts de réacteurs tels que les réacteurs à haute température, ou les réacteurs rapides refroidis au sodium (SFR - Sodium cooled fast Reactor) ou les microréacteurs. Another option to limit the formation of thermal gradients is to change the nature of the fuel material, using a metallic fuel, which has improved thermal conductivity. Research projects include the production of fuels from metal alloys, such as UAI, UaSiI, UMo, UZr. Other forms of uranium-based fuels are also being explored, such as TRISO (TRI-structural ISOtropic) particles for new reactor concepts such as high-temperature reactors, sodium-cooled fast reactors (SFRs) or microreactors.

US20210125735 décrit un élément combustible cylindrique comportant une armature métallique. US3097152 décrit un élément combustible en forme de plaque, comportant un maillage métallique. EP1913600 décrit une structure alvéolaire, dans laquelle des éléments combustibles en forme de pastille sont introduits. KR101383654 décrit un élément combustible en forme de plaque ajourée, de façon à permettre une introduction d'un insert thermiquement conducteur. US20210125735 describes a cylindrical fuel element comprising a metal frame. US3097152 describes a plate-shaped fuel element comprising a metal mesh. EP1913600 describes a honeycomb structure, into which pellet-shaped fuel elements are inserted. KR101383654 describes a fuel element in the form of a perforated plate, so as to allow the introduction of a thermally conductive insert.

L'invention décrite par la suite permet d'obtenir un élément combustible, notamment de type plaque, dont la température de fonctionnement est plus faible et plus homogène que les éléments combustibles céramiques (UO2-PUO2) actuels, pour une même densité de puissance. L'objectif visé est d'améliorer les performances d'un réacteur nucléaire en augmentant la puissance maximale et/ou le taux de combustion du combustible. Il s'agit également d'accroître les marges de sûreté, relatives aux risques de fusion du matériau combustible, ou de rupture de gaine. The invention described below makes it possible to obtain a fuel element, in particular of the plate type, whose operating temperature is lower and more homogeneous than current ceramic fuel elements (UO2-PUO2), for the same power density. The objective is to improve the performance of a nuclear reactor by increasing the maximum power and/or the fuel combustion rate. It is also a question of increasing the safety margins, relating to the risks of melting of the fuel material, or of cladding rupture.

EXPOSE DE L'INVENTION STATEMENT OF THE INVENTION

Un objet de l'invention est un élément combustible, destiné à être disposé dans un réacteur nucléaire, l'élément combustible comportant un matériau combustible, comprenant de la matière fissile ou fertile, le matériau combustible s'étendant entre une première extrémité et une deuxième extrémité, l'élément combustible comportant au moins un insert, s'étendant, à travers le matériau combustible, entre la première et la deuxième extrémités, l'insert ou chaque insert comportant un matériau conducteur thermique, dont la conductivité thermique est supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible. An object of the invention is a fuel element, intended to be arranged in a nuclear reactor, the fuel element comprising a combustible material, comprising fissile or fertile material, the combustible material extending between a first end and a second end, the fuel element comprising at least one insert, extending, through the combustible material, between the first and the second ends, the insert or each insert comprising a thermally conductive material, the thermal conductivity of which is greater than the thermal conductivity of the combustible material.

L'élément combustible peut s'étendre selon une plaque. The fuel element can extend along a plate.

L'élément combustible peut comporter une gaine, enveloppant le matériau combustible.The fuel element may include a sheath, enveloping the combustible material.

Selon une possibilité, au moins un insert, voire chaque insert, 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, at least one insert, or each insert, extends from one point of the sheath, at the first end, to another point of the sheath, at the second end.

La conductivité thermique du matériau conducteur thermique peut être supérieure à la conductivité thermique du matériau formant la gaine. Selon une possibilité, la première extrémité et la deuxième extrémité sont planes, l'élément combustible prenant la forme d'une plaque plane. The thermal conductivity of the thermally conductive material may be greater than the thermal conductivity of the material forming the sheath. According to one possibility, the first end and the second end are planar, the fuel element taking the form of a planar plate.

Selon une possibilité, l'élément combustible s'étend selon une épaisseur, entre la première extrémité et la 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 the first end and the 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 matériau conducteur thermique comporte au moins un matériau choisi parmi : molybdène, chrome, carbure de silicium. According to one possibility, the thermally conductive material comprises at least one material chosen from: molybdenum, chromium, silicon carbide.

Selon une possibilité : According to one possibility:

- au moins un insert, voire chaque insert, est de forme cylindrique ; - at least one insert, or even each insert, is cylindrical in shape;

- le diamètre ou la plus grande diagonale dudit insert, ou de chaque insert, est inférieur à 0.5 mm. - the diameter or largest diagonal of said insert, or of each insert, is less than 0.5 mm.

Chaque insert peut être un cylindre de révolution. Each insert can be a cylinder of revolution.

Selon une possibilité: According to one possibility:

- la première extrémité est plane ; - the first end is flat;

- la deuxième extrémité est plane, parallèle à la première extrémité ; - the second end is flat, parallel to the first end;

- la distance entre la première extrémité et la deuxième extrémité forme une épaisseur de l'élément combustible ; - the distance between the first end and the second end forms a thickness of the fuel element;

- l'élément combustible comporte plusieurs inserts ; - the fuel element has several inserts;

- l'insert ou chaque insert s'étend perpendiculairement à la première extrémité et à la deuxième extrémité. - the insert or each insert extends perpendicular to the first end and to the second end.

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 : According to one possibility:

- l'élément combustible comporte plusieurs inserts ; - the fuel element has several inserts;

- deux inserts les plus proches l'un de l'autre sont espacés d'une distance inférieure à l'épaisseur de l'élément combustible. - two inserts closest to each other are spaced apart by a distance less than the thickness of the fuel element.

Lorsque l'élément combustible comporte plusieurs inserts, les inserts peuvent être répartis selon un maillage régulier dans l'élément combustible. When the fuel element has several inserts, the inserts can be distributed according to a regular mesh in the fuel element.

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%. 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 fissile material of the Uranium 235 and/or Plutonium 239 type with an isotopy greater than 1%. 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

La figure IA schématise un élément combustible selon un premier mode de réalisation. Figure 1A shows a diagram of a fuel element according to a first embodiment.

La figure IB montre un élément combustible selon un deuxième mode de réalisation. Figure 1B shows a fuel element according to a second embodiment.

La figure 2 représente la conductivité thermique (axe des ordonnées) d'un élément combustible de type UO2 (oxyde d'uranium) en fonction de la fraction volumique d'inserts conducteurs (axe des abscisses). Figure 2 represents the thermal conductivity (y-axis) of a UO2 (uranium oxide) fuel element as a function of the volume fraction of conductive inserts (x-axis).

La figure 3 illustre un gradient de température dans un plan médian d'un élément combustible selon l'invention. Les axes X et Y sont des dimensions spatiales. L'axe vertical, ainsi que le code couleur, correspondent à des niveaux de température. Figure 3 illustrates a temperature gradient in a median plane of a fuel element according to the invention. The X and Y axes are spatial dimensions. The vertical axis, as well as the color code, correspond to temperature levels.

La figure 4 représente la conductivité thermique (axe des ordonnées) d'un élément combustible de type UO2 (oxyde d'uranium) en fonction de la fraction volumique d'inserts conducteurs (axe des abscisses) en prenant en compte différentes géométries des inserts conducteurs. Figure 4 represents the thermal conductivity (y-axis) of a UO2 (uranium oxide) fuel element as a function of the volume fraction of conductive inserts (x-axis) taking into account different geometries of the conductive inserts.

La figure 5 schématise des étapes permettant la fabrication d'un élément combustible par fabrication additive. Figure 5 shows the steps involved in manufacturing a fuel element using additive manufacturing.

La figure 6 schématise un élément combustible en forme de plaque cintrée. Figure 6 shows a schematic of a fuel element in the form of a curved plate.

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

La figure IA représente un élément combustible 1 selon un premier mode de réalisation. L'élément combustible comporte un matériau combustible formé de la matière fissile 2, 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. Figure 1A represents a fuel element 1 according to a first embodiment. The fuel element comprises a combustible material formed from the fissile material 2, 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 combustible 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. 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. L'épaisseur du matériau combustible 2 est de quelques mm, par exemple 4 mm dans l'exemple de la figure IA. De façon classique, l'élément combustible 2 comporte une gaine métallique 3, formant une enveloppe, étanche, autour du matériau combustible. La gaine 3 est par exemple formée de zirconium. 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. 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. The thickness of the combustible material 2 is a few mm, for example 4 mm in the example of figure 1A. Conventionally, the fuel element 2 comprises a metal sheath 3, forming a sealed envelope around the combustible material. The sheath 3 is for example formed of zirconium.

Le terme « matériau combustible » désigne le matériau comportant la matière fissile ou fertile, par exemple UO2 ou PuC . Le terme « élément combustible » désigne l'ensemble formé par le matériau combustible, la gaine et les inserts. The term "fuel material" refers to the material containing the fissile or fertile material, for example UO2 or PuC. The term "fuel element" refers to the assembly formed by the fuel material, the cladding and the inserts.

Afin d'améliorer la conductivité thermique au sein de l'élément combustible 1, ce dernier comporte plusieurs inserts 4, s'étendant entre la première extrémité 2i et la deuxième extrémité 22. Dans cet exemple, les première et deuxième extrémités sont planes. Les inserts 4 s'étendent de préférence perpendiculairement à chaque extrémité. De préférence, les inserts 4 s'étendent de la première extrémité 2i jusqu'à la deuxième extrémité 22. Au niveau de chaque extrémité, chaque insert 4 est de préférence au contact de la gaine 3. In order to improve the thermal conductivity within the fuel element 1, the latter comprises several inserts 4, extending between the first end 2i and the second end 22. In this example, the first and second ends are flat. The inserts 4 preferably extend perpendicular to each end. Preferably, the inserts 4 extend from the first end 2i to the second end 22. At each end, each insert 4 is preferably in contact with the sheath 3.

Les inserts 4 sont formés d'un matériau, dit matériau conducteur thermique, présentant 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 formant chaque insert est de préférence 5 fois ou 10 fois ou 20 fois ou 30 fois supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible 2. The inserts 4 are formed from a material, called thermally conductive material, having 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 sheath 3. The thermal conductivity of the material forming each insert 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 1 et 10 W.m^.K 1 à température ambiante. Chaque insert peut être formé à partir d'un matériau de type molybdène (Mo - À =138 W.m^.K 1 à température ambiante), chrome (Cr - À =94 W.m^.K 1 à température ambiante), ou une céramique, par exemple 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. In this example, the fuel material is formed from uranium oxide, whose thermal conductivity λ varies between 3 Wm^.K 1 and 10 Wm^.K 1 at room temperature. Each insert can be formed from a material such as molybdenum (Mo - λ = 138 Wm^.K 1 at room temperature), chromium (Cr - λ = 94 Wm^.K 1 at room temperature), or a ceramic, for example 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 approximately 20 Wm^.K 1 at room temperature.

Compte tenu des niveaux de température auxquels l'élément combustible est susceptible d'être exposé, la température de fusion du matériau formant les inserts est de préférence supérieure à 1000 °C. Les températures de fusion de Mo, Cr et SiC sont respectivement de 2620 °C, 1910 °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. Considering the temperature levels to which the fuel element is likely to be exposed, the melting temperature of the material forming the inserts is preferably above 1000 °C. The melting temperatures of Mo, Cr and SiC are respectively 2620 °C, 1910 °C and 2800 °C. These values are to be compared with the respective melting temperatures of UO2 and Zr, respectively of the order of 3400 °C and 2400 °C.

Ainsi, l'invention consiste à intégrer, dans chaque élément combustible 1 une phase thermiquement conductrice, correspondant à chaque insert 4. Les inserts 4 sont répartis, de préférence de façon la plus homogène possible, dans le matériau combustible 2. La fraction volumique de la phase thermiquement conductrice (c'est-à-dire l'ensemble des inserts) peut être comprise entre 0.5 % et 10%. La fraction volumique doit être suffisamment élevée pour permettre une homogénéisation de la température au sein du matériau combustible, tout en étant suffisamment faible pour ne pas réduire excessivement la densité de puissance de l'élément combustible par rapport à un élément combustible sans insert. Thus, the invention consists in integrating, in each fuel element 1, a thermally conductive phase, corresponding to each insert 4. The inserts 4 are distributed, preferably as homogeneously as possible, in the combustible material 2. The volume fraction of the thermally conductive phase (i.e. all of the inserts) may be between 0.5% and 10%. The volume fraction must be sufficiently high to allow homogenization of the temperature within the combustible material, while being sufficiently low so as not to excessively reduce the power density of the fuel element compared to a fuel element without an insert.

L'objectif de la phase thermiquement conductrice est de favoriser une homogénéisation de la température au sein de l'élément combustible. Cela permet de réduire les gradients thermiques dans le matériau combustible, ainsi que la température maximale et la température moyenne du matériau combustible. Chaque insert 4 forme un pont thermique, de préférence orienté selon la direction du flux thermique principal, c'est-à-dire perpendiculairement à la plaque formant l'élément combustible. Cela correspond à l'axe Z sur les figures IA et IB. The purpose of the thermally conductive phase is to promote temperature homogenization within the fuel element. This reduces thermal gradients in the fuel material, as well as the maximum temperature and the average temperature of the fuel material. Each insert 4 forms a thermal bridge, preferably oriented in the direction of the main heat flow, i.e. perpendicular to the plate forming the fuel element. This corresponds to the Z axis in Figures 1A and 1B.

Chaque insert 4 peut présenter une forme cylindrique, par exemple cylindrique de révolution. Le diamètre de chaque insert peut être compris entre quelques dizaines de pm et quelques centaines de pm. De préférence, le diamètre de chaque insert est inférieur à 1 mm ou à 0.5 mm, et de préférence inférieur à 0.2 mm ou 0.1 mm. La longueur de chaque insert est de préférence égale à l'épaisseur du matériau combustible. La base de chaque insert cylindrique 4 peut être circulaire ou polygonale, par exemple à section carrée ou hexagonale. Each insert 4 may have a cylindrical shape, for example a cylindrical shape of revolution. The diameter of each insert may be between a few tens of μm and a few hundred μm. Preferably, the diameter of each insert is less than 1 mm or 0.5 mm, and preferably less than 0.2 mm or 0.1 mm. The length of each insert is preferably equal to the thickness of the combustible material. The base of each cylindrical insert 4 may be circular or polygonal, for example with a square or hexagonal section.

Les inserts sont de préférence répartis selon un maillage régulier dans le matériau combustible 2. Le pas entre deux inserts adjacents, c'est-à-dire la distance entre deux inserts les plus proches l'un de l'autre, est par exemple de l'ordre de l'épaisseur du matériau combustible, ou inférieure à cette dernière. Le maillage peut être défini selon une maille élémentaire carrée, rectangulaire ou triangulaire. Une maille élémentaire carrée ou triangulaire est considérée comme optimale.The inserts are preferably distributed according to a regular mesh in the combustible material 2. The pitch between two adjacent inserts, i.e. the distance between two inserts closest to each other, is for example of the order of the thickness of the combustible material, or less than the latter. The mesh can be defined according to a square, rectangular or triangular elementary mesh. A square or triangular elementary mesh is considered optimal.

Sur les figures IA et IB, les inserts sont représentés selon différents niveaux de gris afin de faciliter la lisibilité. Sur la figure IA, la fraction volumique des inserts est de 7.7%. Chaque insert est un cylindre de révolution de rayon 0.4 mm, le pas entre les inserts étant de 2.3 mm. L'épaisseur du matériau combustible est de 4 mm. L'épaisseur de la gaine est de 1 mm. La gaine n'a été représentée qu'au niveau de la première extrémité 2i du matériau combustible. Sur la figure IB, la fraction volumique des inserts est de 5.7%. Chaque insert est un cylindre de révolution de rayon 0.2 mm, le pas entre les inserts étant de 1.4 mm, les inserts étant répartis selon un maillage régulier triangulaire. L'épaisseur du matériau combustible est de 4 mm. L'épaisseur de la gaine est de 1 mm. In Figures 1A and 1B, the inserts are shown in different shades of gray to facilitate readability. In Figure 1A, the volume fraction of the inserts is 7.7%. Each insert is a cylinder of revolution with a radius of 0.4 mm, with a pitch between the inserts of 2.3 mm. The thickness of the combustible material is 4 mm. The thickness of the cladding is 1 mm. The cladding has only been shown at the first end 2i of the combustible material. In Figure 1B, the volume fraction of the inserts is 5.7%. Each insert is a cylinder of revolution with a radius of 0.2 mm, the pitch between the inserts being 1.4 mm, the inserts being distributed according to a regular triangular mesh. The thickness of the combustible material is 4 mm. The thickness of the cladding is 1 mm.

La figure 2 représente la conductivité thermique axiale (c'est-à-dire selon l'axe Z - axe des ordonnées - unité W.m^.K 1) idéale (maximum théorique) en fonction de la fraction volumique de la phase conductrice (axe des abscisses - %), cette dernière correspondant au pourcentage volumique d'inserts 4 noyés dans le matériau combustible 2. L'art antérieur correspond à une fraction volumique de 0%. Par rapport à l'art antérieur : Figure 2 represents the ideal axial thermal conductivity (i.e. along the Z axis - ordinate axis - unit Wm^.K 1 ) (theoretical maximum) as a function of the volume fraction of the conductive phase (abscissa axis - %), the latter corresponding to the volume percentage of inserts 4 embedded in the combustible material 2. The prior art corresponds to a volume fraction of 0%. Compared to the prior art:

- une fraction volumique de 3% permet de doubler la conductivité thermique de l'élément combustible ; - a volume fraction of 3% makes it possible to double the thermal conductivity of the fuel element;

- une fraction volumique de 10% permet de quadrupler la conductivité thermique de l'élément combustible. - a volume fraction of 10% makes it possible to quadruple the thermal conductivity of the fuel element.

On considère qu'une augmentation de n% de la conductivité thermique permet de réduire de n% l'amplitude du gradient thermique axial à travers le matériau combustible. L'amplitude du gradient thermique axial correspond à l'écart maximal de température, dans le matériau combustible, selon l'axe Z. An increase of n% in thermal conductivity is considered to reduce the amplitude of the axial thermal gradient across the combustible material by n%. The amplitude of the axial thermal gradient corresponds to the maximum temperature difference in the combustible material along the Z axis.

Des simulations ont montré qu'en considérant une plaque d'UO2 d'épaisseur 4 mm, une puissance volumique de 600W/cm3 au sein de l'élément combustible induit : Simulations have shown that considering a 4 mm thick UO 2 plate, a power density of 600W/cm 3 within the fuel element induces:

- un gradient thermique axial dont l'amplitude maximale est de 400°C ; et une température moyenne, dans le matériau combustible, supérieure de 270°C à la température de la gaine. La température moyenne est déterminée dans le plan médian du matériau combustible, c'est-à-dire dans un plan parallèle à la plaque, passant par la mi-épaisseur. - an axial thermal gradient with a maximum amplitude of 400°C; and an average temperature in the combustible material 270°C higher than the temperature of the sheath. The average temperature is determined in the median plane of the combustible material, i.e. in a plane parallel to the plate, passing through the mid-thickness.

Pour réaliser ces simulations, on a supposé que les conductivités thermiques respectives du matériau combustible et des inserts sont de 3 W.m^.K 1 et 100 W.m^.K 1. To carry out these simulations, it was assumed that the respective thermal conductivities of the combustible material and the inserts are 3 Wm^.K 1 and 100 Wm^.K 1 .

En utilisant des inserts cylindriques de révolution (section ronde), de rayon 0.2 mm : Using cylindrical inserts of revolution (round section), with a radius of 0.2 mm:

- lorsque la fraction volumique des inserts est de 3.5%, l'amplitude maximale du gradient thermique axial est de 260 °C (contre 400°C sans insert). La température moyenne, dans le plan médian du matériau combustible, est supérieure de 170°C à la température de la gaine (contre 270°C sans insert) ; - lorsque la fraction volumique des inserts est de 10%, l'amplitude maximale du gradient thermique axial est de 140 °C (contre 400°C sans insert). La température moyenne, dans le plan médian du matériau combustible, est supérieure de 100°C à la température de la gaine (contre 270°C sans insert). - when the volume fraction of the inserts is 3.5%, the maximum amplitude of the axial thermal gradient is 260°C (compared to 400°C without insert). The average temperature, in the median plane of the combustible material, is 170°C higher than the temperature of the cladding (compared to 270°C without insert); - when the volume fraction of the inserts is 10%, the maximum amplitude of the axial thermal gradient is 140°C (compared to 400°C without insert). The average temperature, in the median plane of the combustible material, is 100°C higher than the temperature of the cladding (compared to 270°C without insert).

La figure 3 représente un champ local de température dans le plan médian d'un matériau combustible en considérant des inserts de rayon 0.2 mm, dont la fraction volumique est de 3.5%, pour une puissance volumique de 600W/cm3. La température maximale est égale à 386 °C. La température moyenne combustible dans la plaque est d'environ 300°C, contre 400°C pour une configuration sans insert. Figure 3 represents a local temperature field in the median plane of a combustible material considering inserts of radius 0.2 mm, whose volume fraction is 3.5%, for a volume power of 600W/cm 3 . The maximum temperature is equal to 386 °C. The average combustible temperature in the plate is approximately 300°C, compared to 400°C for a configuration without insert.

La figure 4 montre la conductivité thermique d'un matériau combustible (axe des ordonnées - unité W.m^.K 1) en fonction de la fraction volumique d'insert (axe des abscisses - %), en prenant en compte des inserts cylindriques de révolution de rayons 0.4 mm (courbe a), 0.2 mm (courbe b). La courbe c correspond à une répartition homogène idéale des inserts dans la fraction volumique, telle que décrite en lien avec la figure 2. Le fait que les inserts soient disposés de façon discontinue dans le matériau combustible induit une différence entre les performances attendues dans la configuration homogène idéale (cf. figure 2 ou courbe c de la figure 4), et des configurations réalistes, prenant en compte les dimensions des inserts (courbes a et b de la figure 4). On observe qu'en diminuant le rayon de 0.4 mm à 0.2 mm, un gain de 20% sur la conductivité thermique, est obtenu. Figure 4 shows the thermal conductivity of a combustible material (y-axis - unit Wm^.K 1 ) as a function of the insert volume fraction (x-axis - %), taking into account cylindrical inserts of revolution with radii of 0.4 mm (curve a), 0.2 mm (curve b). Curve c corresponds to an ideal homogeneous distribution of the inserts in the volume fraction, as described in connection with Figure 2. The fact that the inserts are arranged discontinuously in the combustible material induces a difference between the expected performances in the ideal homogeneous configuration (see Figure 2 or curve c of Figure 4), and realistic configurations, taking into account the dimensions of the inserts (curves a and b of Figure 4). It is observed that by reducing the radius from 0.4 mm to 0.2 mm, a gain of 20% on the thermal conductivity is obtained.

On comprend que pour chaque géométrie d'élément combustible (forme, section, épaisseur), des simulations permettront de définir des géométries d'inserts optimales en terme de gain en conductivité thermique, au regard de la facilité de fabrication et de la puissance dégagée.It is understood that for each fuel element geometry (shape, section, thickness), simulations will make it possible to define optimal insert geometries in terms of gain in thermal conductivity, with regard to ease of manufacture and the power released.

La figure 5 schématise les principales étapes d'un procédé de fabrication d'un élément combustible tel que précédemment décrit. Dans cet exemple, le procédé est un procédé de fabrication additive, selon lequel on fabrique successivement des couches, superposées les unes aux autres. Chaque couche peut être réalisée en déposant une poudre et en solidifiant cette dernière. Le procédé comporte les étapes suivantes : Figure 5 shows the main steps of a fuel element manufacturing process as previously described. In this example, the process is an additive manufacturing process, in which layers are successively manufactured, superimposed on each other. Each layer can be made by depositing a powder and solidifying it. The process involves the following steps:

Etape 100 : apport de matériau combustible sous la forme d'une poudre; Step 100: supply of combustible material in the form of a powder;

Etape 110 : solidification de la poudre de matériau combustible par exposition à une source de chaleur, usuellement un faisceau laser. La solidification de la poudre peut être obtenue par balayage du faisceau laser ; Etape 120 : apport du matériau formant les inserts sous la forme d'une poudre dudit matériau ;Step 110: Solidification of the combustible material powder by exposure to a heat source, usually a laser beam. Solidification of the powder can be achieved by scanning the laser beam; Step 120: supply of the material forming the inserts in the form of a powder of said material;

Etape 130 : solidification de la poudre dudit matériau par exposition à la source de chaleur.Step 130: solidification of the powder of said material by exposure to the heat source.

Les étapes 100 à 130 sont mises en oeuvre pour former une première couche, puis réitérées de façon à former, lors de chaque itération, une couche se superposant à la couche résultant de l'itération précédente. Steps 100 to 130 are implemented to form a first layer, then repeated so as to form, during each iteration, a layer superimposed on the layer resulting from the previous iteration.

Les étapes peuvent être réalisées dans l'ordre chronologique représenté sur la figure 5, ou selon d'autres ordres chronologiques : par exemple, on peut mettre en oeuvre l'étape 100, puis l'étape 120, les étapes de solidification 110 et 130 étant confondues en une seule étape de solidification. On peut mettre en oeuvre les étapes 120 et 130, puis 100 et 110. The steps may be carried out in the chronological order shown in Figure 5, or in other chronological orders: for example, step 100 may be carried out, then step 120, with solidification steps 110 and 130 being combined into a single solidification step. Steps 120 and 130 may be carried out, then 100 and 110.

L'invention permet d'obtenir une diminution significative de la pression interne dans l'élément combustible : The invention makes it possible to obtain a significant reduction in the internal pressure in the fuel element:

- d'une part en relâchant une quantité moindre de moles de gaz de fission dans l'élément combustible, du fait d'une diminution de la température maximale ; - on the one hand by releasing a smaller quantity of moles of fission gas into the fuel element, due to a reduction in the maximum temperature;

- d'autre part en diminuant la pression interne du fait de la diminution de la température moyenne. On estime qu'en abaissant la température moyenne de 200°C dans un matériau combustible porté à 1000 °C, la réduction de pression est de 20%. - on the other hand by reducing the internal pressure due to the decrease in the average temperature. It is estimated that by lowering the average temperature by 200°C in a combustible material heated to 1000°C, the pressure reduction is 20%.

L'amélioration de la conductivité thermique permet de concevoir des éléments combustibles plus épais, ce qui diminue le nombre de plaques dans un même assemblage. On peut augmenter la quantité de matière nucléaire dans un même volume d'assemblage par rapport à l'art antérieur. Improved thermal conductivity allows for thicker fuel elements, which reduces the number of plates in a single assembly. The amount of nuclear material in a single assembly volume can be increased compared to the prior art.

L'amélioration de la conductivité thermique permet d'utiliser un matériau combustible dont la porosité est plus élevée que dans l'art antérieur, de façon à augmenter le volume libre, c'est-à- dire le volume destiné à être occupé par des gaz résultants de la fission. Cela permet de diminuer la pression interne dans l'élément combustible. The improvement in thermal conductivity makes it possible to use a fuel material with a higher porosity than in the prior art, so as to increase the free volume, i.e. the volume intended to be occupied by gases resulting from fission. This makes it possible to reduce the internal pressure in the fuel element.

L'homogénéisation de la température au sein de l'élément combustible permet également de limiter les gradients mécaniques, induits par la dilatation thermique différentielle, ainsi que les gradients thermiques locaux. Cela diminue le risque de délamination au niveau de l'interface matériau combustible/gaine. Selon une possibilité, les inserts s'étendent de part et d'autre autour d'un plan médian, le plan médian passant par la mi-épaisseur de la plaque. La plaque comporte une partie médiane, s'étendant autour du plan médian, sans insert. Bien que décrite en lien avec un élément combustible en forme de plaque plane, 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 6. Homogenizing the temperature within the fuel element also limits mechanical gradients induced by differential thermal expansion, as well as local thermal gradients. This reduces the risk of delamination at the fuel material/cladding interface. According to one possibility, the inserts extend on both sides around a median plane, the median plane passing through the mid-thickness of the plate. The plate has a middle part, extending around the median plane, without an insert. Although described in connection with a fuel element in the form of a flat plate, 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 6.

Claims

REVENDICATIONS 1. Élément combustible (1), destiné à être disposé dans un réacteur nucléaire, l'élément combustible comportant un matériau combustible (2), comprenant de la matière fissile ou fertile, le matériau combustible s'étendant entre une première extrémité (2 et une deuxième extrémité (22), l'élément combustible comportant au moins un insert (4), s'étendant, à travers le matériau combustible, entre la première et la deuxième extrémités, l'insert ou chaque insert comportant un matériau conducteur thermique, dont la conductivité thermique est supérieure à la conductivité thermique du matériau combustible, l'élément combustible étant caractérisé en ce que : 1. 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 combustible material extending between a first end (2 and a second end (2 2 ), the fuel element comprising at least one insert (4), extending, through the combustible material, between the first and the second ends, the insert or each insert comprising a thermally conductive material, the thermal conductivity of which is greater than the thermal conductivity of the combustible material, the fuel element being characterized in that: • l'élément combustible comporte plusieurs inserts ; • the fuel element has several inserts; • deux inserts les plus proches l'un de l'autre sont espacés d'une distance inférieure à l'épaisseur de l'élément combustible. • two inserts closest to each other are spaced a distance less than the thickness of the fuel element. 2. Elément combustible selon la revendication 1, dans lequel ledit élément combustible s'étend selon une plaque. 2. The fuel element of claim 1, wherein said fuel element extends in a plate. 3. Élément combustible selon la revendication 1 ou la revendication 2, comportant une gaine (3), enveloppant le matériau combustible. 3. Fuel element according to claim 1 or claim 2, comprising a sheath (3), enveloping the combustible material. 4. Elément combustible selon la revendication 3, et dans lequel au moins un insert, voire chaque insert, 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. Fuel element according to claim 3, and in which at least one insert, or even each insert, extends from one point of the sheath, at the first end, to another point of the sheath, at the second end. 5. Elément combustible selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans lequel la conductivité thermique du matériau conducteur thermique est supérieure à la conductivité thermique du matériau formant la gaine. 5. A fuel element according to claim 3 or claim 4, wherein the thermal conductivity of the thermally conductive material is greater than the thermal conductivity of the material forming the sheath. 6. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première extrémité et la deuxième extrémité sont planes, l'élément combustible prenant la forme d'une plaque plane. 6. A fuel element according to any preceding claim, wherein the first end and the second end are planar, the fuel element taking the form of a planar plate. 7. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, s'étendant selon une épaisseur, entre la première extrémité et la 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. 7. Fuel element according to any one of claims 1 to 5, extending along a thickness, between the first end and the 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. 8. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau conducteur thermique comporte au moins un matériau choisi parmi : molybdène, chrome, carbure de silicium. 8. Fuel element according to any one of the preceding claims, in which the thermally conductive material comprises at least one material chosen from: molybdenum, chromium, silicon carbide. 9. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :9. Fuel element according to any one of the preceding claims, wherein: - au moins un insert est de forme cylindrique ; - at least one insert is cylindrical in shape; - le diamètre ou la plus grande diagonale dudit insert, ou de chaque insert, est inférieur à 0.5 mm. - the diameter or largest diagonal of said insert, or of each insert, is less than 0.5 mm. 10. Élément combustible selon la revendication 9, dans lequel l'insert ou chaque insert est un cylindre de révolution. 10. Fuel element according to claim 9, in which the or each insert is a cylinder of revolution. 11. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou 8 à 10 dans lequel :11. Fuel element according to any one of claims 1 to 6 or 8 to 10 in which: - la première extrémité du matériau combustible est plane ; - the first end of the combustible material is flat; - la deuxième extrémité du matériau combustible est plane, parallèle à la première extrémité ; - the second end of the combustible material is flat, parallel to the first end; - la distance entre la première extrémité et la deuxième extrémité forme une épaisseur de l'élément combustible ; - the distance between the first end and the second end forms a thickness of the fuel element; - l'élément combustible comporte plusieurs inserts ; - the fuel element has several inserts; - l'insert ou chaque insert s'étend perpendiculairement à la première extrémité et à la deuxième extrémité. - the insert or each insert extends perpendicular to the first end and to the second end. 12. Élément combustible selon la revendication 11, dans lequel l'épaisseur de l'élément combustible est inférieure à 2 cm ou à 1 cm. 12. The fuel element of claim 11, wherein the thickness of the fuel element is less than 2 cm or 1 cm. 13. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fraction volumique du matériau conducteur thermique est comprise entre 0.5% et 10%. 13. Fuel element according to any one of the preceding claims, in which the volume fraction of the thermally conductive material is between 0.5% and 10%. 14. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément combustible comporte plusieurs inserts, les inserts étant répartis selon un maillage régulier dans l'élément combustible. 14. Fuel element according to any one of the preceding claims, in which the fuel element comprises several inserts, the inserts being distributed in a regular mesh in the fuel element. 15. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, 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%. 15. Fuel element according to any one of the preceding claims, in which 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%. 16. Élément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, 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%. 16. Fuel element according to any one of claims 1 to 13, 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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