Qu’est-ce que le carburant encapsulé – Pastilles composites TRISO-SiC – Définition

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.

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.

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Voir ci-dessus:
Carburant résistant aux accidents