Elemento combustible nuclear (1) que comprende una primera placa (4),

una red (6) con una pluralidad de paredes solidarizada a la primera placa (4) para formar alveolos separados (8), y al menos una pastilla de combustible nuclear (10) que se extiende a lo largo de un eje (AA) entre dos caras opuestas, en el que la pastilla (10) está localizada en un alveolo (8) con un juego radial (14) entre sus paredes y la pastilla (10), siendo el eje (AA) de la pastilla (10) sensiblemente paralelo a las paredes del alveolo (8)

Campo técnico

La presente invención se refiere al sector de los elementos combustibles utilizados en los reactores nucleares, y principalmente a las placas combustibles desarrolladas en el marco de las nuevas concepciones de reactores denominados de cuarta generación.

Más en particular, el dispositivo conforme a la invención ha sido concebido para las instalaciones que funcionan en el dominio de las altas temperaturas, es decir, para los reactores HTR (« High Temperature Reactors ») en los que la temperatura del fluido de refrigeración a la salida del reactor es superior a 800 ºC; con preferencia, se trata de reactores con caloportador gaseoso que funcionan con un flujo neutrónico rápido refrigerado por un gas, o GFR (equivalente a «Gas Fast Reactor»).

La invención propone así una concepción de elemento adaptada a condiciones de funcionamiento impuestas y que ofrece rendimientos incrementados; la misma propone, más en particular, un nuevo diseño de «elemento de placa» combustible compuesto macro-estructurado que responde al pliego de condiciones de los GFR.

Estado de la técnica anterior

Las centrales de producción de energía a partir de reacciones de fisión nuclear, utilizan elementos combustibles en los que se producen fisiones que liberan una potencia calórica, que es extraída por intercambio térmico con un fluido caloportador que asegura su refrigeración.

A este efecto, soportando siempre las restricciones que imponen el comportamiento del combustible y sus condiciones de funcionamiento, los principios generales de concepción de los elementos combustibles de base pretenden satisfacer las funcionalidades siguientes:

- tener un contenido volúmico en átomos fisibles compatible con las condiciones de funcionamiento

neutrónico y con la densidad de potencia volúmica del volumen reactivo,

- asegurar la transferencia térmica entre el material combustible y el fluido caloportador,

- confinar los productos de fisión sólidos y gaseosos liberados por el combustible.

En efecto, las reacciones de fisión en el seno del combustible generan productos de fisión sólidos y gaseosos que provocan un hinchamiento de la estructura del material, fenómeno activado por la energía térmica que induce igualmente mecanismos de liberación de los gases hacia fuera del material combustible. Un enfundado del material combustible permite albergar estas deformaciones sin perder la integridad del elemento.

La densidad de las fisiones en el seno del combustible está directamente correlacionada con la potencia volúmica que se ha de evacuar hacia el caloportador a través de la funda. La resistencia térmica entre la fuente de calor y el caloportador debe ser por tanto mínima para aprovechar la temperatura máxima del combustible y los efectos inducidos por este flujo de calor, a saber el gradiente en el seno del material y las dilataciones diferenciales entre el combustible y la funda.

La densidad de materia fisible en el volumen reactivo depende en sí mismo, principalmente, de la forma de los elementos de combustible: la forma determina la capacidad de la materia fisible para ser dispuesta en un volumen dado previendo un índice de relleno máximo, pero proporciona también la permeabilidad necesaria al caloportador para asegurar la evacuación de la potencia producida por los elementos con una pérdida de carga aceptable.

En las instalaciones nucleares, de forma convencional, se pueden utilizar tres familias de elementos combustibles de base: elemento de tipo placa (con formas cualesquiera), elemento de tipo cilíndrico (la más frecuente, con sección circular o anular) que se extiende según su eje, y elemento de tipo esférico, con mayor frecuencia en forma de partículas de pequeño diámetro (del orden del milímetro). Por otra parte, las partículas esféricas pueden ser revestidas con una matriz inerte para generar elementos combustibles compuestos, los cuales pueden presentarse igualmente bajo las tres formas anteriores de bola, de placa y macizo. Cada uno de los tipos de elementos combustibles combina soluciones diferentes para los problemas planteados, y constituye un objeto de compromiso en cuanto a su dominio de funcionamiento.

Así, por ejemplo, en las placas, las fundas se comportan como cascos de gran esbeltez (relación entre la longitud libre del casco y su espesor). El material de funda adapta, en virtud de su maleabilidad, su geometría a la del núcleo del combustible, lo que permite la absorción de deformaciones diferenciales (hinchamiento y dilatación) con relación al material combustible, transversalmente y a nivel muy bajo de contracciones. Esta estructura de placa presenta, sin embargo, una baja capacidad para absorber las deformaciones en el sentido del espesor debido a la muy baja rigidez de las fundas perpendicularmente a su plano, y esta libertad permite que el combustible se deforme de manera anisótropa preferentemente en esta dirección. Por otra parte, esta estructura es inestable en cuanto a pandeo en caso de una puesta bajo compresión de su plano, globalmente o localmente (sobre un punto caliente por ejemplo), en particular en el caso de que el alma combustible no esté unida, o lo esté débilmente, a las fundas.

A la vista de estas deficiencias, los elementos de placa no se utilizan, de hecho, más que para combustibles fríos, es decir, en el dominio de temperatura en el que el material combustible no libera sus productos gaseosos, y a niveles moderados de la potencia volúmica. Los parámetros de optimización se apoyan generalmente, para un nivel pretendido de potencia volúmica, en el espesor de la placa y la calidad del contacto combustible/ funda, en el control de la corrosión de la funda y en la no degradación de sus propiedades de ductilidad y funcionamiento. De hecho, los principales modos de invalidación de las placas están asociados, ya sea a una falta de ductilidad de la funda en cuanto a deformación impuesta (degradación por corrosión o endurecimiento bajo irradiación), o ya sea a un incremento de la resistencia térmica entre el combustible y el caloportador (zona corroída resistiva sobre la funda, descohesión combustible/ funda con apertura de un juego por pandeo local de la funda, por ejemplo), que provoca un calentamiento del combustible con liberación de gases de fisión y puesta bajo presión interna de la funda, lo que conduce a la rotura por inestabilidad en deformación de la funda.

Los elementos cilíndricos comprenden los cartuchos de los reactores de grafito/ gas, los lápices de los reactores de agua a presión (REP) o las agujas de los reactores de neutrones rápidos (RNR), por ejemplo. Aquí, existe un juego radial entre el combustible en forma de pastillas y la funda en la que éstas se encuentran ensartadas, juego que permite la absorción de las deformaciones diferenciales entre el material combustible y la funda: este juego es capaz, como mínimo, de compensar las dilataciones diferenciales durante la primera subida de potencia del elemento, y el hinchamiento del combustible no reabsorbible en sí mismo por fluencia y re-densificación sobre sus cavidades internas. De hecho, el material combustible debe funcionar a una temperatura que le permita activar sus propios mecanismos de absorción de sus deformaciones; en contrapartida, éste libera una parte de su gas de fisión. Un segundo volumen de expansión ha sido previsto en la funda, en el extremo de los apilamientos de pastillas de combustible, con el fin de limitar la presión en el interior del elemento. La transferencia térmica entre las pastillas combustibles y el caloportador, se realiza así radialmente a través de una resistencia térmica constituida por un juego radial de pastilla/ funda rellena de gas, y el espesor de la funda. El control de esta resistencia térmica a todo lo largo de la vida del elemento, permite garantizar el respeto de los límites de temperatura aceptables en el combustible. En esta concepción de elementos, existe por tanto una transferencia térmica a través de una junta gaseosa calibrada, y un vaso de expansión proporcionado en la dirección transversal a la de transferencia térmica.

Los principales parámetros de optimización de estos elementos cilíndricos son el juego radial inicial entre el combustible y la funda, la cantidad del fluido que asegura la conexión térmica entre el combustible y la funda (junta gaseosa o junta metálica fundida), la densidad de relleno efectivo del combustible en la sección de la funda (juego radial, porosidad, presencia de deficiencias... [Seguir leyendo]

1. Elemento combustible nuclear (1) que comprende una primera placa (4), una red (6) con una pluralidad de paredes solidarizada a la primera placa (4) para formar alveolos separados (8), y al menos una pastilla de combustible nuclear (10) que se extiende a lo largo de un eje (AA) entre dos caras opuestas, en el que la pastilla

(10) está localizada en un alveolo (8) con un juego radial (14) entre sus paredes y la pastilla (10), siendo el eje (AA) de la pastilla (10) sensiblemente paralelo a las paredes del alveolo (8).

2. Elemento según la reivindicación 1, en el que las paredes de la red (6) tienen el mismo espesor, tomado en una dirección paralela a la primera placa (4).

3. Elemento según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la red (6) está fabricada de forma unitaria con la primera placa (4).

4. Elemento según una de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende una segunda placa plana (2) solidarizada a la red (6), paralela con, y opuesta a, la primera placa (4), para cerrar los alveolos (8).

5. Elemento según una de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende una segunda placa (2) que comprende una red (6') sobresaliente complementaria de la red (6) de la primera placa (4) y solidarizada a la red (6) de la primera placa (4) para cerrar los alveolos (8).

6. Elemento según una de las reivindicaciones 4 a 5, que comprende una única pastilla (10) de combustible que se extiende a lo largo de un eje (AA) entre dos caras opuestas localizada con un juego radial (14) en cada alveolo cerrado (8).

7. Elemento según la reivindicación 6, en el que cada alveolo (8) cerrado está lleno de helio.

8. Elemento según una de las reivindicaciones 4 a 7, en el que la fase fisil de las pastillas de combustible (10) representa más de un 20% del volumen del elemento (1).

9. Elemento según una de las reivindicaciones 4 a 8, en el que el volumen residual generado por el juego (12, 14) en cada alveolo (8) representa al menos un 40% del volumen de la pastilla (10) localizada en el mismo.

10. Elemento según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que cada pastilla (10) está localizada en el alveolo (8) adicionalmente con un juego axial (12).

11. Elemento según la reivindicación 10, en el que al menos una de las caras opuestas de la pastilla (10) está abombada hacia el exterior de la pastilla para minimizar el nivel de tensiones en la placa (2, 4) después de haber alcanzado de nuevo el juego axial (12).

12. Elemento según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la red (6) es una estructura en nido de abeja con alveolos (8) hexagonales.

13. Elemento según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que las placas (2, 4) y la red (6) están compuestas por el mismo material refractario, metálico o cerámico.

14. Elemento según la reivindicación 13, en el que las placas (2, 4) y la red (6) están compuestas por una cerámica, principalmente a base de SiC, eventualmente con fibra.

15. Elemento según la reivindicación 14, que comprende además una capa metálica (18) aplicada sobre las paredes de cada alveolo (8).

16. Elemento según una de las reivindicaciones 1 a 15, en el que cada pastilla (10) tiene la forma del mismo cilindro de revolución alrededor de su eje (AA).