Barra de combustible nuclear y procedimiento de fabricación de pastillas de una barra de este tipo.

Barra (1) de combustible nuclear que se extiende según una dirección longitudinal (XX') que comprende una pluralidad de pastillas (6) de combustible apiladas unas sobre otras y una vaina (2) de material transparente a los neutrones que rodea el apilamiento de pastillas,

en la que, en sección transversal a la dirección longitudinal (XX'):

- la vaina presenta una forma general elíptica cuya pared (200) interior tiene un eje mayor de longitud 2*a y un eje menor de longitud 2*b,

- cada pastilla (6) de combustible nuclear presenta una forma elíptica truncada en los extremos del eje mayor de la vaina, siendo el eje menor de cada pastilla de longitud 2*b' igual a la 2*b del eje menor de la pared interior de la vaina, salvo por el juego de montaje j de las pastillas en la vaina, por toda la longitud grande del eje mayor truncado 2*c, siendo la diferencia de longitud entre la mitad del eje mayor truncado de las pastillas y el semieje mayor de la vaina (c-a) muy superior al juego de montaje j.

Barra de combustible nuclear y procedimiento de fabricación de pastillas de una barra de este tipo

Campo técnico La invención se refiere a un nuevo tipo de barra de combustible nuclear.

Las aplicaciones pretendidas para este nuevo tipo de barra de combustible nuclear son tanto los reactores nucleares de agua a presión (RAP) como los reactores nucleares de neutrones rápidos (RNR) refrigerados por gas (RNR-gas) , denominados de 4ª generación.

Por “reactores nucleares”, en el conjunto de la solicitud, se entiende el sentido habitual del término actualmente, a saber, centrales de producción de energía a partir de las reacciones de fisión nucleares usando elementos combustibles en los que se producen las fisiones que liberan la potencia calorífica, extrayéndose esta última de los elementos por intercambio de calor con un fluido caloportador que garantiza su refrigeración.

Por “barra de combustible nuclear”, en el conjunto de la solicitud, se entiende el sentido oficial definido, por ejemplo, en el diccionario de las Ciencias y Técnicas nucleares, a saber un tubo estrecho de pequeño diámetro, cerrado por sus dos extremos, que constituye el núcleo de un reactor nuclear y que contiene material fisible. Así, una “varilla de combustible nuclear” cuyo uso prioriza la denominación es una barra de combustible nuclear en el sentido de la presente invención.

La invención propone así un nuevo diseño de barras de combustible nuclear con comportamiento termomecánico 25 mejorado en situaciones de interacción mecánica entre las pastillas combustibles y la vaina.

Técnica anterior

Existen diferentes tipos de elementos combustibles en función de las condiciones de funcionamiento y de los rendimientos de los reactores. Las centrales denominadas de 3ª generación, los reactores RAP concretamente, usan elementos combustibles de tipo barra de sección transversal circular.

El inventor ha previsto una mejora de un concepto de elemento combustible.

Además, en primer lugar ha tratado de determinar los principios de diseño y de comprender los límites de funcionamiento de todos los elementos combustibles conocidos.

Las principales funcionalidades que debe garantizar un elemento combustible son:

-tener un contenido volumétrico de átomos fisibles compatible con las condiciones de funcionamiento neutrónico y la densidad de potencia volumétrica del volumen reactivo,

-garantizar la transferencia de calor entre el material combustible y el fluido caloportador,

-confinar los productos de fisión sólidos y gaseosos liberados por el combustible durante el funcionamiento del reactor. 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 que puede ser importante. El fenómeno de hinchamiento, concretamente gaseoso, se activa por la térmica que también induce mecanismos de liberación de los gases de fisión fuera del material combustible. El envainado del elemento combustible debe poder por tanto ajustarse a estas deformaciones y liberaciones gaseosas del combustible sin perder su integridad.

La densidad de las fisiones en el seno del combustible se correlaciona directamente con la potencia volumétrica que hay que evacuar hacia el caloportador a través de la vaina.

Por tanto, debe haber la menor resistencia térmica entre la fuente de calor y el caloportador para limitar la temperatura máxima del combustible y los efectos inducidos por este flujo de calor: gradiente en los materiales y dilataciones diferenciales entre el combustible y la vaina.

La densidad de material fisible en el volumen reactivo depende principalmente de la forma de los elementos que limita su capacidad para disponerse en un volumen dado teniendo en cuenta una tasa de llenado máxima, a la vez que se tiene la permeabilidad necesaria para el caloportador para garantizar la evacuación de la potencia producida por los elementos con una pérdida de carga aceptable.

Los elementos combustibles de base que se encuentran de manera clásica en las instalaciones nucleares pueden clasificarse en tres tipos, elemento de tipo placa (de cualquier forma) , elemento de tipo cilíndrico esbelto que sigue la

dirección del eje (sección circular o anular de la manera más frecuente) que constituye un elemento de barra, y elemento de tipo esférico, de la manera más frecuente en forma de partícula de pequeño diámetro (tamaño milimétrico) .

Por otro lado, existen elementos combustibles compuestos elaborados a partir de las partículas esféricas recubiertas en una matriz inerte en las tres formas geométricas anteriores de bola, de placa y elementos compactos de los reactores de alta temperatura (HTR) .

Cada uno de estos tres tipos de elementos combustibles combina soluciones diferentes a los problemas planteados y son objeto de compromiso de elección de diseño para su ámbito de funcionamiento. El ámbito de funcionamiento de cada elemento combustible está limitado de hecho por los rendimientos del diseño adoptado.

Así, las placas comprenden vainas que se comportan como cascos de gran esbeltez (relación entre la longitud libre del casco y su grosor) .

El material de envainado adapta, por su maleabilidad, su geometría a la de la parte central combustible, lo que le permite ajustarse a las deformaciones diferenciales (hinchamiento y dilatación) entre el material combustible y la vaina, de manera transversal y con un nivel muy bajo de tensiones. Esta estructura de placa presenta, no obstante, una pequeña capacidad para contener las deformaciones que le impone el combustible en el sentido del grosor debido a la rigidez muy pequeña de las vainas de manera transversal a su plano. Esta libertad permite que el combustible se deforme de manera anisotrópica, preferiblemente en esta dirección. Por otro lado, esta estructura también es muy inestable en cuanto al pandeo en caso de que se ejercieran esfuerzos de compresión en su plano, de manera global o local (en un punto caliente, por ejemplo) , particularmente, en los casos en los que el núcleo combustible no está unido, o débilmente, a las vainas.

Se busca el contacto térmico adecuado entre el combustible y la vaina para mantener el combustible en un rango de temperatura suficientemente bajo para que, en todas las situaciones de funcionamiento, no libere sus productos de fisión gaseosos.

Los elementos de placa sólo se usan por tanto para combustibles fríos, es decir en el rango de temperatura en el que el material combustible no libera sus gases y a niveles moderados de potencia volumétrica.

Los parámetros de optimización de las placas se refieren generalmente, para un nivel de potencia volumétrica pretendido, al grosor de la placa y la calidad del contacto combustible/vaina, al control de la corrosión de la vaina y a la no degradación de sus propiedades de ductilidad en funcionamiento.

Además, los principales modos de destrucción de estos elementos están relacionados o bien con una falta de ductilidad del envainado con la deformación impuesta (degradación por corrosión o endurecimiento bajo irradiación) ,

o bien a un aumento de la resistencia entre el combustible y el caloportador (zona corroída resistiva en la vaina, descohesión combustible/vaina con apertura de un juego por pandeo local de la vaina por ejemplo) que provoca un calentamiento del combustible con liberación de gas de fisión y presurización interna del envainado que conduce a la rotura por inestabilidad con deformación de la vaina.

Los elementos cilíndricos comprenden los cartuchos usados en reactores de grafito/gas, las barras usadas en los 45 reactores de agua a presión (RAP) o las varillas de los reactores de neutrones rápidos (RNR) , por ejemplo.

En estos elementos cilíndricos existe por construcción un juego radial entre el combustible en forma de pastillas y la vaina en el interior de la cual se apilan, juego que permite ajustarse a las deformaciones diferenciales entre el material combustible y la vaina: este juego puede compensar, como mínimo, las dilataciones diferenciales durante la primera subida de potencia del elemento y la parte del hinchamiento del combustible no resorbible por sí mismo mediante fluencia y redensificación en sus cavidades internas, es decir las cavidades constituidas por el orificio central y por sus porosidades. Además, el material combustible debe funcionar a una temperatura que le permita activar estos mecanismos de ajuste ante sus deformaciones.

En contrapartida, libera una parte de sus gases de fisión.

Un segundo volumen de expansión está dispuesto... [Seguir leyendo]

1. Barra (1) de combustible nuclear que se extiende según una dirección longitudinal (XX’) que comprende una pluralidad de pastillas (6) de combustible apiladas unas sobre otras y una vaina (2) de material

transparente a los neutrones que rodea el apilamiento de pastillas, en la que, en sección transversal a la dirección longitudinal (XX’) :

-la vaina presenta una forma general elíptica cuya pared (200) interior tiene un eje mayor de longitud 2*a y un eje menor de longitud 2*b,

- cada pastilla (6) de combustible nuclear presenta una forma elíptica truncada en los extremos del eje mayor de la vaina, siendo el eje menor de cada pastilla de longitud 2*b’ igual a la 2*b del eje menor de la pared interior de la vaina, salvo por el juego de montaje j de las pastillas en la vaina, por toda la longitud grande del eje mayor truncado 2*c, siendo la diferencia de longitud entre la mitad del eje mayor truncado de las pastillas y el semieje mayor de la vaina (c-a) muy superior al juego de montaje j.

2. Barra de combustible nuclear según la reivindicación 1, en la que el juego de montaje j de las pastillas en la vaina por toda la longitud grande del eje mayor truncado 2*c es igual o inferior al 10% de la del eje mayor 2*a de la vaina.

3. Barra de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores para un reactor de agua a presión (RAP) , en la que la vaina es de aleación de zirconio, de aleación M5 (ZrNbO) y las pastillas de combustible de materiales cerámicos tales como UO2, (U, Pu) O2 o una mezcla mixta a base de óxido de uranio y de óxidos de plutonio reprocesados.

4. Barra de combustible según una de las reivindicaciones 1 ó 2, para un reactor de neutrones rápidos refrigerado por gas (RNR-gas) , en la que la vaina es de material metálico refractario o de material metálico semirrefractario, como por ejemplo aleaciones a base de vanadio o de cerámica dúctil, como por ejemplo las fases MAX de tipo Ti3SiC2, y las pastillas de combustible son de materiales cerámicos tales como (U,

Pu) C, (U, Pu) O2.

5. Conjunto de combustible nuclear que comprende una pluralidad de barras de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores y dispuestas entre sí según una red.

6. Pastilla (6) de combustible nuclear que se extiende según una dirección longitudinal (XX’) y que tiene una forma general elíptica truncada con un eje mayor truncado en sección transversal a la dirección longitudinal (XX’) .

7. Procedimiento de fabricación de una pastilla (6) de combustible nuclear de altura H según su dirección longitudinal (XX’) y de forma elíptica truncada con un eje mayor truncado de longitud 2*c y un eje menor de longitud 2*b’ en sección transversal a la dirección longitudinal (XX’) , según el cual se realizan las siguientes etapas:

-preparar el polvo de combustible, denominada etapa de fabricación de pastillas,

-prensar el polvo de combustible sobre el canto de la pastilla cruda, en un juego de matrices de altura H y de sección transversal en forma elíptica truncada con una longitud grande 2*c y una longitud más pequeña 2*b’,

-sinterizar la pastilla de combustible prensada.

8. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 7, en el que la relación H/ (2*c) entre la altura H y la longitud grande 2*c, es al menos igual a 1, 2.

9. Procedimiento de apilamiento de pastillas (6) de combustible en una vaina (2) de material transparente a los neutrones con el fin de realizar una barra de combustible nuclear, en el que se apilan las pastillas de combustible brutas de sinterización obtenidas directamente según el procedimiento de fabricación según la reivindicación 7 u 8 en el interior de una vaina de forma general elíptica cuya pared interior tiene un eje menor de longitud 2*b igual a la del eje menor 2*b’ de las pastillas salvo por el juego de montaje j, siendo la 60 diferencia de longitud entre la mitad del eje mayor truncado de las pastillas y el semieje mayor de la vaina (c-a) muy superior al juego de montaje j.