COMBUSTIBLE NUCLEAR EN FORMA DE PASTILLA CON ESTRUCTURA PERFECCIONADA.

Pastilla que consta de un material nuclear combustible, con una forma general alargada a lo largo de un eje (z),

que se caracteriza porque consta en su superficie lateral externa de al menos una zona de fractura marcada para favorecer una fractura prácticamente en un plano secante de dicho eje (z)

La presente invención se refiere a un combustible nuclear destinado a aplicaciones en reactores nucleares.

Trata más en particular de un combustible en forma de pastilla destinado a barras de combustible en haz dentro de los reactores, en particular para la producción de electricidad.

A modo de ejemplos de aplicaciones, se pueden citar:

 los reactores de agua a presión (o PWR por « Pressurized Water Reactor »);  los reactores de agua en ebullición; e incluso  los reactores de neutrones rápidos.

En referencia a la figura 1, en un reactor para una de las aplicaciones del tipo ya citadas, se ensamblan unos tubos CC (denominados « barras de combustible ») por medio de rejillas de retención GR. En cada barra de combustible (figura 2), se introducen una multitud de pastillas de combustible dentro de una funda GA. Las pastillas de combustible son, por ejemplo, de dióxido de uranio UO2, eventualmente impurificado. La funda GA está realizada, por ejemplo, en una aleación de circonio. Las pastillas PA se mantienen dentro de la funda mediante unos tapones superior BS e inferior BI y permanecen pegadas las unas a las otras por la presión de al menos un muelle RE.

En referencia a la figura 3, dada aquí a título de ejemplo, cada pastilla PA se presenta prácticamente con la forma de un filtro de cigarrillo. Se trata de un cilindro cuyas dimensiones son, por ejemplo, de en torno a 13 milímetros de altura (a lo largo del eje z) y de en torno a 8 milímetros de diámetro. De acuerdo con las aplicaciones, la pastilla PA puede estar hueca o ser maciza. También puede ser solo parcialmente hueca y presentar, por ejemplo, una escotadura. La funda GA, por su parte, es de en torno a 9 milímetros de diámetro y de en torno a 4 metros de altura.

De este modo, en un reactor de agua a presión, por ejemplo, el combustible nuclear se presenta en forma de pastillas PA apiladas dentro de las fundas GA encargadas de mantener las pastillas y de retener los productos de fisión para evitar su diseminación en el agua del circuito primario. Las barras de combustible formadas de este modo se disponen en forma de un ensamblado de combustible (por ejemplo, de acuerdo con una red de 17 x 17 barras de combustible) cuya resistencia mecánica está garantizada por las rejillas GR, tal y como se ilustra en la figura 1.

La funda GA de cada barra de combustible constituye la primera barrera de protección contra el vertido del producto de fisión nuclear. Esta funda debe mantenerse íntegra en todas las situaciones de funcionamiento normal, así en todos los incidentes puntuales dentro de los reactores del tipo mencionado con anterioridad.

Desde el aumento de la potencia del reactor, la reacción de fisión produce una liberación de calor en la pastilla. En la figura 4b se ha representado la distribución de calor dentro de la pastilla PA en comparación con sus dimensiones en la figura 4a (que respeta las proporciones habituales de una pastilla). La distribución de calor, en funcionamiento normal y a plena potencia, es prácticamente parabólica sobre el diámetro de la pastilla con una temperatura de en torno a 1.200 ºC en el centro y una temperatura de en torno a 400 ºC en los bordes (-R y +R sobre el eje x de la figura 4b, siendo este eje x ortogonal al eje z). El aumento de calor en el centro de la pastilla PA implica, por lo tanto, una deformación radial, por dilatación térmica, que es mayor en los extremos superiores e inferiores de la pastilla. De este modo, en referencia ahora a la figura 5, la pastilla presenta, por el efecto de la dilatación térmica, una forma de « diábolo » con unas protuberancias radiales PR marcadas en particular en los extremos de la pastilla.

En la figura 5 se ha representado, con una línea de puntos, la forma inicial de la pastilla (antes del aumento de la temperatura) y, en trazo continuo, la forma de la pastilla dilatada. Se constata en concreto, en los extremos de la pastilla, un aumento de diámetro Δε que viene a añadirse a la dilatación radial ΔR, normal, del centro de la pastilla. Esta sobredilatación Δε, más marcada en los extremos inferior y superior de la pastilla globalmente cilíndrica, está ligada a unos efectos de borde en un cilindro de dimensiones finitas.

En referencia a las figuras 6a, 6b y 6c, que ilustran un aumento progresivo de la temperatura de las pastillas PA dentro de su funda GA, el aumento marcado del diámetro Δε en los extremos de las pastillas genera de este modo unas tensiones CR en la funda GA. Este efecto solicita mecánicamente a la funda y contribuye a su debilitamiento, el cual es más marcado cuanto mayor es la sobredilatación Δε. Por otra parte, se han constatado en las fundas, tras su utilización, pequeñas ondas en su superficie radial con un espaciamiento entre las pequeñas ondas correspondiente a la altura de una pastilla, exactamente tal y como aparece representado en la figura 6.

Hay que señalar, por otra parte, en las figuras 6b y 6c, que desde el comienzo del aumento de la temperatura, se forman fisuras FIS en las pastillas de forma aleatoria. En efecto, el gradiente térmico impuesto a la pastilla genera fuertes tensiones de tracción de la pastilla de cerámica, siendo este un material frágil.

En referencia ahora a la figura 7, se ha constatado que el aumento suplementario de diámetro Δε estaba ligado a la relación entre la longitud y el diámetro de la pastilla, medida tradicionalmente por la relación h/D de su altura h por su diámetro D. La figura 7 ilustra la variación del aumento suplementario de diámetro Δε en función del factor de relación entre altura y diámetro h/D. Esta variación presenta un único máximo para una relación entre la longitud y el diámetro h/D con un valor b (que es, por ejemplo, del orden de 0,9 a 1,3). Para unas pastillas de la técnica actual de en torno a 13 milímetros de alto por en torno a 8 milímetros de diámetro, el factor de la relación entre la longitud y el diámetro h/D está próximo a c = 1,6 (flecha AA para « técnica anterior » en la figura 7) y el aumento suplementario de diámetro en los extremos de la pastilla, Δε, se mantiene elevado, cercano al máximo.

Una solución para limitar la sobredilatación Δε sería prever unos valores de la relación entre la altura y el diámetro h/D inferiores al valor b, por ejemplo próximos a un valor a que podría ser, por lo general, inferior a o del orden de 0,5 (flecha INV para « invención » en la figura 7). Esta realización consistiría entonces en prever, por ejemplo, unas pastillas con una altura de en torno a 3 milímetros para conservar un diámetro de 8 milímetros. Este tipo de pastillas tendría, por lo general, la forma de una pila plana de reloj. Se plantea entonces el problema de la introducción y del apilado de las pastillas dentro de una funda de 4 metros, sin que algunas pastillas al menos rueden y se introduzcan torcidas dentro de la funda.

La presente invención viene a mejorar la situación.

Esta propone, para ello, una pastilla que consta de un material nuclear combustible, con una forma general alargada a lo largo de un eje (por lo general el eje z en el ejemplo representado en la figura 3).

La pastilla de acuerdo con la invención consta, por lo tanto, en su superficie lateral externa de al menos una zona de fractura marcada para favorecer una fractura en un plano prácticamente secante de dicho eje.

Esta zona de fractura marcada es, por lo general, una escotadura marcada en la superficie de la pastilla. Puede tratarse, por ejemplo, de una marca grabada, de una muesca, de una ranura o de cualquier otro tipo, siendo lo esencial que la pastilla de acuerdo con la invención se pueda fisurar, desde el momento en que sube la temperatura, en un plano secante (por ejemplo perpendicular) al eje z de la figura 3.

En una realización ventajosa, la pastilla consta de más de una zona de fractura marcada de tal modo que obtiene un factor de la relación entre la altura y el diámetro de cada trozo, tras la fractura, inferior a o del orden de 0,5, lo que permite disminuir de forma sustancial el parámetro Δε de la figura 7, con respecto a la técnica anterior (flecha AA). En concreto, el número de zonas de fractura marcadas de las que consta la pastilla se puede elegir para favorecer una fractura en múltiples fragmentos, cada fragmento teniendo entonces una relación de la altura por la anchura inferior a o del orden de 0,5.

De este... [Seguir leyendo]

1. Pastilla que consta de un material nuclear combustible, con una forma general alargada a lo largo de un eje (z), que se caracteriza porque consta en su superficie lateral externa de al menos una zona de fractura marcada para favorecer una fractura prácticamente en un plano secante de dicho eje (z).

2. Pastilla de acuerdo con la reivindicación 1, con una forma prácticamente cilíndrica y con una base prácticamente circular, que se caracteriza porque la zona de fractura marcada consta de una muesca (ENC) que se extiende al menos por un arco de círculo.

3. Pastilla de acuerdo con la reivindicación 2, que se caracteriza porque la muesca forma una ranura (R1, R2) con una profundidad prácticamente constante.

4. Pastilla de acuerdo con la reivindicación 3, que se caracteriza porque la ranura (R1, R2) se extiende por un círculo completo inscrito en un plano prácticamente perpendicular a dicho eje (z).

5. Pastilla de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque consta de un número seleccionado de zonas de fractura marcadas para favorecer una fractura en una multitud de fragmentos, teniendo cada fragmento una relación de altura por anchura inferior a o del orden de 0,5.

6. Pastilla de acuerdo con la reivindicación 5, que implica una relación de altura (h) por anchura (D) superior a o del orden de 1,5, que se caracteriza porque consta de al menos dos zonas de fractura marcada (Z1, Z2, Z3).

7. Pastilla de acuerdo con la reivindicación 6, que implica una relación de altura (h) por anchura (D) próxima a 1,6, que se caracteriza porque consta de tres zonas de fractura marcada (Z1, Z2, Z3), dispuestas prácticamente a una cuarta parte, a la mitad y a tres cuartas partes de la altura de la pastilla, respectivamente.

8. Pastilla de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 y 7, que se caracteriza porque la altura (h) de la pastilla (PA) es superior a o del orden de un centímetro.

9. Procedimiento de fabricación, mediante sinterización, de una pastilla de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en una cerámica que consta de un material nuclear combustible, que se caracteriza porque se prevé un molde (MO) que consta de al menos una nervadura (NE) que forma saliente en una pared interna del molde.

10. Procedimiento de fabricación, mediante mecanizado, de una pastilla de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, en la que se graba al menos una zona de fractura marcada en la pastilla, que se caracteriza porque se prevé una recuperación (BA) de los desechos del grabado para reciclar.