La plupart des REP utilisent du combustible à l’uranium, qui se présente sous la forme de dioxyde d’uranium. Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. D’autre part, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et un comportement bien connu. L’UO2 est pressé en pastilles 10, ces pastilles sont ensuite frittées dans le cylindre plein (d’une hauteur, et d’un diamètre d’environ 1 centimètre, la hauteur étant supérieure au diamètre). Les dimensions des pastilles de combustible et des autres composants de l’assemblage combustible sont contrôlées avec précision pour assurer la cohérence des caractéristiques du combustible. Ces pastilles sont ensuite chargés et encapsulés dans un crayon combustible (tube de gaine métallique), qui est en alliages de zirconium en raison de sa très faible section d’absorption ( contrairement à l’inox). La surface du tube, qui recouvre les pastilles, est appelée gaine combustible. Les crayons combustibles sont des éléments de base d’un assemblage combustible. Les crayons combustibles ont pour but de contenir les produits de fission, d’assurer le support mécanique des pastilles et de permettre l’évacuation au fluide caloporteur de la chaleur générée par les réactions nucléaires. Le crayon combustible typique a une longueur d’environ 4 m et un diamètre d’environ 1 cm. Un cœur nucléaire de 1 100 MWe (3 300 MWth) peut contenir 157 assemblages combustibles composés de plus de 45 000 crayons combustibles et de quelque 15 millions de pastilles combustibles.
Granulés de carburant avancés
Selon le rapport de l’AEN, les conceptions de combustibles couvertes par le groupe de travail sur les conceptions avancées de combustibles consistent en trois concepts différents:
- Combustible UO2 amélioré. En ce qui concerne le combustible UO2 amélioré, cette conception particulière a été divisée en deux sous-concepts, tels que l’UO2 dopé à l’oxyde et l’UO2 à haute conductivité thermique (conçu en ajoutant un dopant métallique ou céramique).
- Combustible à haute densité.
- Combustible encapsulé (pastilles composites TRISO-SiC).
Référence spéciale : Agence pour l’énergie nucléaire, État de l’art sur le combustible tolérant aux accidents des réacteurs à eau légère. NEA n° 7317, OCDE, 2018.
Carburant à haute densité
La plupart des matériaux métalliques proposés comme gainage pour réduire l’oxydation à la vapeur présentent des pénalités de réactivité assez importantes par rapport aux gaines traditionnelles à base de Zr. Ces pénalités peuvent être compensées soit par une augmentation de l’ enrichissement en 235 U et/ou par une diminution de la durée du cycle. Pour compenser cela sans les concessions précédentes, la densité fissile dans la pastille doit être augmentée. La densité fissile peut être augmentée de plusieurs manières. Une manière possible est d’augmenter la densité du matériau, et une autre consiste à augmenter le rapport métal sur non-métal dans les combustibles composés de métal.
Il existe plusieurs conceptions proposées de combustible à haute densité, mais il faut noter que tous les combustibles à haute densité sont loin d’être prêts à être utilisés comme combustibles dans des réacteurs commerciaux à eau légère. Les notions incluent:
- Combustibles nitrurés
- Combustibles siliciures
- Combustibles au carbure
- Carburants métalliques
Carburant de siliciure d’uranium
Le siliciure d’uranium est un composé inorganique de l’uranium. Il s’agit de l’une des conceptions possibles de matériaux de pastilles de combustible tolérants aux accidents proposés. Les avantages sont un pourcentage plus élevé d’uranium et une conductivité thermique plus élevée. Avec une densité de siliciure d’uranium de 12,2 g/cm3 (vs. ), le siliciure d’uranium (U3Si2) offre un coup de pouce dans l’économie du combustible. Le dioxyde d’uranium a une densité de 10,97 g/cm3. De plus, il y a un surplus de sa composition stechiométrique. Au final, il y a environ 17% de densité d’uranium supérieure à celle du dioxyde d’uranium. Un remplacement direct de UO2 par U3Si2 devrait permettre à un réacteur de générer plus d’énergie à partir d’un ensemble de crayons combustibles et également fournir plus de « temps d’adaptation » en cas d’accidents graves. Sa conductivité thermique (~8,5 W/mK à 300 K) est nettement supérieure à celle du dioxyde d’uranium aux températures de fonctionnement, et elle augmente en fonction de la température (la conductivité thermique du dioxyde d’uranium diminue en fonction de la température). Cette conductivité thermique compense son point de fusion inférieur de sorte que les marges de fonctionnement et de sécurité du combustible sont améliorées.
Westinghouse, le Laboratoire national de l’Idaho (INL) et le Laboratoire national de Los Alamos ont commencé à développer et à fabriquer du siliciure d’uranium et ses combustibles composites dans le cadre du programme de combustible tolérant aux accidents du DOE. Les performances thermiques améliorées de l’U3Si2 par rapport au combustible UO2 permettent la mise en œuvre d’un gainage plus avancé tel qu’un composite SiC-SiC, qui, outre les avantages opérationnels et de sécurité attendus, offre également une économie de neutrons supérieure et des économies supplémentaires sur les coûts du cycle du combustible. par rapport aux revêtements à base de Zr.
Carburant encapsulé – Pastilles composites TRISO-SiC
TRISO, TRI-structurel ISO-tropique, est un type de microparticule de combustible, qui se compose de noyaux porteurs de matière fissile qui sont recouverts de plusieurs couches de carbone poreux ou dense et de carbure de silicium. Historiquement, les particules TRISO ont été utilisées dans des éléments combustibles constitués de galets sphériques ou de blocs prismatiques hexagonaux avec du graphite utilisé comme matrice et revêtement pour l’élément combustible. Chaque particule agit comme son propre système de confinement grâce à ses couches à triple revêtement. Cela leur permet de retenir les produits de fission dans toutes les conditions du réacteur. Les particules TRISO peuvent résister à des températures extrêmes bien au-delà du seuil des combustibles nucléaires actuels. Pastilles composites TRISO-SiC sont constitués de particules de combustible TRISO noyées dans une matrice de SiC. L’utilisation de SiC comme matrice au lieu de graphite améliore la tolérance aux rayonnements de la matrice de combustible tout en améliorant la rétention de FP. Le combustible composite TRISO-SiC est généralement appelé combustible entièrement céramique microencapsulé (FCM).
Selon le rapport de l’AEN, le combustible TRISO-SiC est conçu comme un concept prometteur à moyen terme pour remplacer les pastilles de combustible UO2 actuelles. Il présente des caractéristiques de sécurité potentiellement supérieures par rapport aux autres formes de carburant en raison de ses multiples barrières à la dispersion des PF, de sa stabilité mécanique élevée et de sa bonne conductivité thermique. Une faible densité de charge en matière fissile est l’enjeu majeur de ce concept. Afin d’augmenter la charge fissile, la combinaison de l’enrichissement de l’uranium jusqu’à la limite supérieure pratique de l’UFE (~ 19,7 % de 235-U), l’augmentation de la fraction volumique noyau-particule et de la fraction de garnissage TRISO, et l’élargissement du diamètre de l’axe de combustible a été proposé.
Le carbure de silicium est un composé cristallin de silicium et de carbone extrêmement dur, produit synthétiquement. Sa formule chimique est SiC. Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle du diamant. Sa conductivité thermique élevée, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance à la réaction chimique, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication d’applications à haute température et d’autres réfractaires. Dans l’industrie nucléaire, le matériau composite en carbure de silicium a été étudié pour remplacer le revêtement en alliage de zirconium dans les réacteurs à eau légère. Les céramiques à base de carbure de silicium (SiC) et leurs composites ont des propriétés supérieures à haute température (HT), une excellente résistance à l’irradiation, une faible activation inhérente et d’autres propriétés physiques/chimiques supérieures.
Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.
Voir ci-dessus:
Carburant résistant aux accidents
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