CEA/DEN/DEC/SESC/LC2I - Sylvie Pillon CE de Cadarache Les combustibles de la Génération IV : combustible RCG & combustible SFR
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Les combustibles de la Génération IV :
combustible RCG & combustible SFR
Sylvie Pillon
CEA/DEN/DEC/SESC/LC2I
CE de Cadarache
1
Combustible RCG :
un combustible totalement réfractaire en
développement
2
Une R&D long terme pour un cahier des charges ambitieux ¾ Une puissance de ≈ 100 MW/ m3 de cœur et un taux de combustion moyen cœur objectif ≈ 100 GWj/t (10 at%) ¾Une température caloporteur entrée/sortie cœur : 400/≈900°C ¾Une température gaine max ≈ 1000°C (nominal)/1600°C (accidentel) ¾Une pression caloporteur : 70 bars ¾ Des fractions volumiques dans le cœur de ≈45, ≈50 et ≈5% respectivement pour le gaz caloporteur, le "combustible", les structures, ¾ Une densité élevée d’atomes lourds dans le volume dévolu au "combustible" (plus de la moitié de ce volume doit être occupé par le composé d’actinides le plus dense possible) ¾ Un enrichissement en Pu dans la gamme 15 - 20% (assurer une isogénération sans couvertures fertiles), ¾ Une étanchéité aux produits de fission compatible avec des températures de sortie du caloporteur de 850°C en fonctionnement normal et d’au moins 1600°C3 en accidentel (pressurisé ou non)
Quel matériau combustible ?
Combustible (U,Pu)O2 (U,Pu)C (U,Pu)N U-Pu-Zr
Masse volumique en
atomes lourds th. 9,7 12,9 13,5 14
(g/cm3)
Tsolidus (°C) 2740 2325 2720 1160
Conductivité
thermique à 1000°C* 2,9 19,6 19,8 35*
(W/m.K)
Dilatation thermique
moy. 20 →1000°C* 12,6 12,4 10 16,5*
(10-6/°C)
Procédé Purex oui non oui non
* : 500°C pour U-Pu-Zr ⇒ Choix : carbure ou nitrure
4
Carbure ou nitrure : le dilemme (1/3)
Les carbures ont été plus étudiés que les nitrures (rapport 10)
(Mais le REX global
Carbure ou nitrure : le dilemme (2/3)
Stabilité :
– En fabrication : La réactivité des poudres carbure et nitrure
impose leur manipulation dans une atmosphère très pure, exempte
d’humidité et d’oxygène
• le nitrure poserait moins de risque de pyrophoricité dans les différentes
étapes du cycle que le carbure
– Sous irradiation : En fonctionnement nominal, soit pour une
température du combustible inférieure à 1500°C, la stabilité
chimique des 2 combustibles est satisfaisante
– Situations incidentelles et accidentelles :
• En système fermé, les pressions partielles des espèces en équilibre
avec la phase solide vont limiter sa dissociation,
• En système ouvert :
– le nitrure peut commencer à se décomposer avec formation de métal
et d’azote vers 1700°C sous vide (10-4 bar) ou sous gaz neutre.
– une volatilisation du carbure de plutonium (sa pression de vapeur est
105 fois plus élevée que celle de l’uranium à 1700°C) peut entraîner une
redistribution spatiale de Pu pour de forts régimes de fonctionnement
6Carbure ou nitrure : le dilemme (3/3)
Résumé
– Le choix pour les concepts d’E.C. GCFR de l’un ou l’autre des
combustible réfractaires « denses » que sont les carbures et
nitrures d’actinides n’est pas immédiat :
• Aucun ne présente de problème rédhibitoire,
• Tous deux révèlent des difficultés dans plusieurs domaines : fabrication,
comportement en situation accidentelle, cycle…
– L’enrichissement en 15N constitue un problème technico-
économique de taille,
• le choix du nitrure non enrichi, apparaît peu compétitif par rapport au carbure.
ÎCHOIX DU CARBURE
– Le carbure présente des inconvénients notoires que l’on doit
continuer à instruire pour qu’il puisse s’imposer sans état d’âme.
7Quel matériau de gaine ?
Détail tressage tube
• Du SiCf/SiC!
Liaison brasée – Réfractaire
– Faible absorption neutronique et activation
•Au contraire des métaux réfractaires (W, Mo,…)
• Mais : Détail section tube
•Propriétés mécaniques et thermiques faibles
•Non étanchéité aux GF et He à solutionner (1ère barrière)
– Matériau endommageable
Îingénierie matériaux en développement au CEA
Détail de -Optimisation du matériau (fibre, interphase, matrice)
-Mise au point des procédés d’élaboration/assemblage
microstructure Echantillon de tube
-Etude du comportement sous irradiation, en érosion, en
corrosion,…
-Elaboration de codes et normes adaptés
…
Détail plaques brasées Echantillon de plaque
8Quels concepts (1/2)?
• L’aiguille : un concept éprouvé (…en version gaine
métallique)
– Le taux de combustion est limité par l’Intéraction
Mécanique Combustible/Gaine
Bouchon sup/sup
Internes sup Vase d’expansion sup
Zone courante sup
Circulation caloporteur
Colonne fissile sup
Bouchon inf/sup
Grille médiane assemblage
Bouchon sup/inf
Colonne fissile inf
Zone courante inf
Internes inf Vase d’expansion inf
Bouchon inf/inf
9Quels concepts (2/2)?
• La plaque : un concept original, mais complexe
en fabrication
Gaine composite
+ Intérêt du micro-confinement SiC-SiCfibers
Gaz fission
– Le taux de combustion est limité par la
pression interne (et donc très sensible au
relâchement des GF)
Pastille fissile :
UPuC
(56%vol comb)
Liner : métal réfractaire : We, Mo, Cr,…
VAL − ISO (K)
> 1.14E+03
< 1.51E+03
Tmaxcomb = 1230°C
1.15E+03
1.16E+03
1.18E+03
1.20E+03
1.22E+03
1.23E+03
1.25E+03
Constante durant 1.27E+03
1.28E+03
1.30E+03
l’irradiation
1.32E+03
1.33E+03
1.35E+03
1.37E+03
1.39E+03
1.40E+03
10
1.42E+03
1.44E+03
1.45E+03
1.47E+03
1.49E+03
ISOTEMPERATURES MAILLAGE TOTAL en ddV
1.50E+03Conclusions (1/2)
• Les grands enjeux de la R&D (long terme)
– Un combustible réfractaire « tout céramique»
qui ouvre une nouvelle approche de sûreté
• Une version « dégradée » semi-réfractaire et
métal (-150°C) : le combustible à gainage
vanadium (plaque/aiguille)
– Une ingéniérie matériau (SiCf/SiC) à
développer
• Vrai aussi pour le vanadium
– Une faisabilité encore à démontrer
• Programme d’irradiation « pas à pas »
11Conclusions (2/2)
12Combustible SFR :
un combustible à gainage métallique éprouvé, mais de
nouveaux enjeux pour la 4ème génération
13Un REX de plus de 30 ans
Fabrications de combustibles oxydes pour RNR de 1963 à 1999
Nb. de pastilles
Réacteurs Nb. d'aiguilles Pastilles (t ML ) Masse Pu (t)
( millions )
Rapsodie 28 536 1 1,2 0,35
Phénix 180 941 12,6 32,4 8,2
Super-Phénix 208 396 16,9 71,2 12,7
PFR (GB) 9 555 0,7 1,6 0,54
Total 427 428 31,2 106,4 21,8
26 tML retraitées entre 1979 et 1992 (combustibles et fertiles) :
Quelques caractéristiques du combustible PHENIX retraité
Enrichissement initial 18 et 25% Pu/(U +Pu)
Taux de combustion maximum des
108 GWj/tox
aiguilles fissiles
Durée de refroidissement avant
1 à 10 ans
retraitement
Quantité de Pu métal produite 4 tonnes
14Des performances démontrées
Performances thermiques élevées :
Puissance linéique max. : 450 W/cm (~ 2 kW/cm3)
Tcaloporteur : 400 → 550°C (Tmax de 650°C sur la gaine en acier)
Trou central
Ö Température à cœur des pastilles très
élevée : > 2000°C (Tfus. : 2700°C)
Ö Fort gradient thermique radial : 5000°C/cm
Migrations de l’oxygène, du Pu, des PF volatils
Fort relâchement des gaz de fission (Xe + Grains colonnaires
Kr) : → 90 % de la production
Ce combustible peut atteindre des taux
de combustion élevés : 150 à 200 GWj/tox
Ö Augmentation de ∆G(O2), migration de PF hors
du combustible
Formation d’un « Joint Oxyde Gaine »
Corrosion interne de la gaine
15Un comportement en réacteur connu et maîtrisé
• Corrosion interne à fort Burn-up
– T élevée Î Forte migration des PF rad. ROG
et ax.
– Accumulations locales de PF corrosifs
(Te, I, Cs) corrélées à la déformation
de gaine
⇒ Épaisseurs de corrosion 100 à 200 µm
soit 20 à 40% ep. gaine
RIFF Réactions chimiques
TC max:15 at % entre certains PF et les
Sommet de la constituants de l’acier
TC max : 15 at %
CF Î Cs2CrO4, FeTe0,9, NiTe0,6 aux 2/3 colonne fissile
Cs2Te, Cs2Mo2O7, … Gaine en acier 15/15 Ti
Paramètres : ∆G(O2), aTe (TC), Tgaine, Plinéique, fort ∆Φgaine
Comportement de l’ODS ? Du combustible avec AM ?
Les études thermochimiques devront être reprises
pour comprendre, modéliser cette corrosion et si
possible trouver des remèdes
16
Voir présentation de J.P. PironNouvelle génération : un cahier des charges plus ambitieux
En particulier, dans les domaines suivants :
Sûreté, gestion des déchets HAVL, compétitivité économique,
impact sur l’environnement
⇒ Ces objectifs généraux se traduisent pour le cœur et son
combustible par :
¾ Amélioration de la sûreté / prévention des accidents graves
9 réduire le coefficient de vidange sodium par une augmentation du
rapport Vcombustible / Vsodium.
9 tendre vers un cœur à faible chute de réactivité
Orientation vers des assemblages combustibles à faible perte de
charge équipés d'un faisceau d’aiguilles de fort diamètre chacune d’elles
étant munie d’un fil espaceur de faible diamètre (gainage FM-ODS)
Option de référence du combustible : l’oxyde, en particulier pour le
réacteur prototype mais intérêt potentiel pour d’autres matériaux, en
particulier le carbure,
Orientation vers des combustibles hétérogènes axialement (CVF) avec
une alternative homogène (V2b)
17Deux concepts d’aiguille combustible
V2b 4,7 $ CFV -0,6 $
φ pastille : 9.43 mm φ pastille : 8.45 mm
φ fil esp. : 1.00 mm φ fil esp. : 1.00 mm
φ aiguille : 10.73 mm φ aiguille : 9.70 mm
169 aiguilles 217 aiguilles
18REX sur le combustible hétérogène axial (1/2)
– Des irradiations d’aiguilles à combustible hétérogène plein ont
été réalisées dans RAPSODIE et PHENIX avec comme objectif
une amélioration du taux de régénération
Colonne fissile inférieure Colonne fertile médiane Zèbre 2, 12,1 at%
Colonne fissile
Colonne fertile médiane supérieure
Image électronique
Pu Cs
19REX sur le combustible hétérogène axial (2/2)
Corrosion interne de la gaine de type ROG
limitée malgré :
• Un TCF élevé
• Une déformation de gaine conséquente
Absence de RIFF
20Conclusions (1/2)
• REX combustible homogène (V2b)
– Une puissance de fonctionnement max dans le
domaine de connaissance (420 W/cm)
• Mais quasi constante (-20 W/cm) sur toute la durée de vie du
combustible du cœur interne
– La température du combustible croît avec le BU
– Les marges à fusion se réduisent en FDV
• Pas de risque d’IMOG avec l’objectif visé de taux de
combustion
– Une conception qui repose sur les propriétés
présumées de la gaine FM-ODS
• A conforter expérimentalement
– Etude du comportement en situations de
transitoires de dimensionnement pas encore
achevée.
21Conclusions (2/2)
• REX combustible hétérogène axial (CFV)
– Au vu des résultats obtenus sur les assemblages ZEBRE, on peut
considérer qu’en conditions de fonctionnement normal le
comportement des aiguilles hétérogènes est globalement positif
• L’introduction d’une zone fertile au PFM n’a pas eu d’impact préjudiciable
au bon fonctionnement des aiguilles
– Ce bilan doit être modulé par :
• Une absence de REX du concept en transitoires accidentels (RIB, UTOP,
ULOF)
• Les colonnes combustibles et les couvertures fertiles étaient constituées de
pastilles pleines
• L’environnement neutronique vu par les ZEBRE n’était pas complètement
représentatif d’un cœur complet hétérogène
– Intérêt de compléter notre REX avec l’examen d’un assemblage
PAVIX (Gaines AIM1 comme pour le cœur de démarrage
ASTRID) et de préserver des aiguilles pour des essais en
transitoire
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