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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie nucléaire B 3 620 − 1 Technologie et fabrication du combustible à base d’uranium par Georges MONEYRON Ingénieur des Arts et Manufactures Master of Science Directeur Général de la Société Franco-Belge de Fabrication de Combustible (FBFC) ans cet article, nous traiterons la technologie et la fabrication du combustible à base d’uranium. Le lecteur se reportera également aux articles de ce traité : — Thermohydraulique des réacteurs à eau sous pression [BN 3 050] ; — Caractéristiques neutroniques des réacteurs industriels [B 3 040] ; — Corrosion des matériaux métalliques [B 3 750]. 1. Déﬁnition et rôles du combustible ..................................................... B 3 620 - 2 1.1 Déﬁnition du combustible........................................................................... — 2 1.2 Rôles du combustible.................................................................................. — 2 2. Combustibles des différentes ﬁlières ................................................ — 2 2.1 Points communs aux combustibles éprouvés .......................................... — 2 2.2 Combustible pour réacteurs graphite-gaz................................................. — 3 2.3 Combustible pour réacteurs à eau lourde................................................. — 3 2.4 Combustible pour réacteurs à neutrons rapides refroidis par un métal liquide (RNR)................................................................................................ — 4 2.5 Combustible pour réacteurs à haute température (HTR)......................... — 4 2.6 Combustible pour réacteurs à eau ordinaire............................................. — 5 3. Choix des matériaux et conception pour le combustible REP.... — 5 3.1 Généralités ................................................................................................... — 5 3.2 Historique des choix.................................................................................... — 5 4. Description du combustible REP......................................................... — 7 4.1 Pastilles d’UO2 fritté .................................................................................... — 7 4.2 Gaine............................................................................................................. — 8 4.3 Crayon combustible .................................................................................... — 9 4.4 Grilles............................................................................................................ — 9 4.5 Pièces d’extrémité (ou embouts)................................................................ — 9 4.6 Structures et faisceau de crayons .............................................................. — 9 5. Fabrication des combustibles REP...................................................... — 9 5.1 Pastilles d’UO2 ............................................................................................. — 9 5.2 Crayon combustible .................................................................................... — 11 5.3 Structures..................................................................................................... — 12 5.4 Assemblage.................................................................................................. — 13 6. Caractéristiques particulières de cette fabrication ....................... — 14 7. Rôle de l’assurance qualité ................................................................... — 14 8. Expérience d’exploitation et surveillance......................................... — 14 9. Conclusion ................................................................................................. — 15 D TECHNOLOGIE ET FABRICATION DU COMBUSTIBLE À BASE D’URANIUM __________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 3 620 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie nucléaire 1. Déﬁnition et rôles du combustible 1.1 Déﬁnition du combustible Nous appellerons élément combustible ou, plus simplement, combustible le produit qui, contenant des matières ﬁssiles, fournit l’énergie dans le cœur d’un réacteur en y entretenant la réaction en chaîne. Le combustible nucléaire est la matière contenant des nucléides dont la consommation par ﬁssion dans un réacteur libère de l’énergie, d’après l’arrêté du 30 novembre 1989 relatif à l’enrichisse- ment de la terminologie de l’ingénierie nucléaire (Journal ofﬁciel du 29 décembre 1989). L’élément combustible est ainsi constitué par : — la matière enfermée dans une gaine, matrice incluant la matière fissile ; — la (ou les) gaine(s) ; — les structures. 1.2 Rôles du combustible Le combustible a pour rôle de permettre la ﬁssion des nucléides sous l’action des neutrons et de favoriser l’évacuation de l’énergie thermique dégagée. Il autorise le fractionnement de la matière ﬁssile nécessaire à l’obtention d’une réactivité sufﬁsante, d’une part, et à une bonne évacuation de la chaleur, d’autre part. Ces rôles montrent la dépendance étroite entre les caractéristiques du réacteur et celles du combustible. La technologie d’un combustible ne peut se concevoir indépendamment du type de réacteur auquel il est destiné. Les rôles rappelés imposent des obligations ; le combus- tible doit satisfaire à différentes conditions. I Conﬁner les produits de ﬁssion Le combustible est conçu et réalisé pour empêcher les produits de ﬁssion ou de capture engendrés par les réactions nucléaires de s’échapper dans le circuit de refroidissement. La matière active sera donc maintenue dans une boîte étanche, appelée gaine. Cette gaine constitue ce que les spécialistes de sûreté nomment la première barrière. Son étanchéité doit être parfaite, durant toute la vie du combustible. Certains types de réacteurs (réacteurs à haute température, par exemple) tolèrent des combustibles non totalement étanches. C’est un cas très particulier. I Assurer l’évacuation de la chaleur Les combustibles sont baignés par le ﬂuide caloporteur, et la gaine doit être bonne conductrice de la chaleur dégagée. En outre, plus la puissance dégagée par unité de volume de matière combustible est grande, plus la surface d’échange doit être grande : le fraction- nement de la matière devient une nécessité (comme dans le cas d’un radiateur) pour éviter son échauffement excessif et surtout, évidem- ment, pour échauffer le ﬂuide caloporteur qui sera utilisé, directe- ment ou indirectement, pour produire l’énergie électrique. I Conserver la réactivité Le combustible « brûle » dans le réacteur, la quantité de matière ﬁssile décroît et la quantité de poisons neutroniques augmente. Il y a donc une limite neutronique à l’énergie fournie par le combustible (ou, si l’on préfère, au temps de séjour à puissance nominale). Il est indispensable que la limite technologique, c’est-à-dire la durée pendant laquelle le combustible est susceptible de remplir sa mis- sion (déformations acceptables, pas de fuite de produits de ﬁssions, à l’extérieur de la gaine, etc.), soit voisine de sa limite neutronique. Ces limites sont en général exprimées en mégawatt-jour par tonne (MW · j/t), unité d’énergie spéciﬁque. La limite technologique est affectée par l’histoire du combustible, en particulier par les régimes transitoires thermiques qu’il a subis. I Supporter l’exploitation Le combustible doit se faire oublier dans l’exploitation du réacteur. En fait, il n’est pas possible actuellement de faire subir au combus- tible n’importe quel régime transitoire, ni n’importe quelle pertur- bation. Il existe des phénomènes thermomécaniques qui conduisent à la destruction de la gaine dans l’état de nos connaissances. C’est pourquoi actuellement des variations plus ou moins lentes de puis- sance sont, dans certaines conditions (articles Thermomécanique du combustible des réacteurs à eau sous pression [B 3 060] et Thermo- mécanique du combustible des réacteurs à neutrons rapides [B 3 061]), demandées à l’exploitant. Ces contraintes dépendent du type de combustible et des matières qui le constituent. I Assurer une ﬁabilité quasi totale Dans les réacteurs à chargement-déchargement en marche (réacteurs à uranium naturel-graphite-gaz et à eau lourde), cette obli- gation est moins nécessaire, car aucune perte de production n’en découle (à condition que les combustibles fautifs soient en petit nombre). La ﬁabilité est cependant importante, car, en cas de défaut, on perd une partie de l’énergie escomptée, dans la mesure où l’on décharge avant le terme ﬁxé. Dans les réacteurs à chargement à l’arrêt (réacteurs à eau ordinaire et à neutrons rapides), un défaut important du combustible nécessite l’arrêt du réacteur. Dans un réacteur REP , le taux de contamination admis par EDF dans le circuit primaire est de 0,5 Ci/t (en équivalent iode 131). Des taux moins importants en valeur moyenne laissent prévoir des arrêts futurs (par exemple, 0,06 Ci/t : arrêt dans les deux mois). Indépendamment des pertes citées plus haut, la perte associée à l’arrêt de production d’un réacteur de 1 000 MW de puissance élec- trique impose aux combustibles de rester ﬁables. Le coût d’arrêt d’un réacteur en période de pointe est sans commune mesure avec le coût d’un élément combustible. 2. Combustibles des différentes ﬁlières 2.1 Points communs aux combustibles éprouvés Nous entendons par combustibles éprouvés ceux qui sont destinés aux réacteurs commerciaux ou en voie de l’être, à l’exclu- sion des réacteurs de recherche. Tous les combustibles sont composés d’éléments à géométrie cylindrique (ﬁgure 1). Figure 1 – Combustibles pour les réacteurs à eau et à neutrons rapides _________________________________________________________________________ TECHNOLOGIE ET FABRICATION DU COMBUSTIBLE À BASE D’URANIUM Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie nucléaire B 3 620 − 3 Presque tous les combustibles sont constitués par des assemblages ou grappes de crayons. Le crayon est le combustible élémentaire (matière ﬁssile + gaine). Seuls les combustibles des UNGG et HTR font exception : le premier parce qu’à base d’uranium métallique donc à faible puissance volumique, le second parce que très particulier (§ 2.5). Un tel choix conduit à une fabrication relativement simple, et le produit présente un rapport surface/volume élevé qui facilite le refroidissement. La mise en forme des combustibles de type céramique (UO2) est plus facile à réaliser sous forme de pastilles. Le regroupement de crayons sous forme d’assemblages est donc général : il faut en chercher la cause dans le fractionnement de la matière ﬁssile, nécessaire à la fois pour des raisons neutroniques et pour des raisons de refroidissement à haute puissance volumique (≈ 500 kW/ litre de cœur pour les RNR). De plus, il s’agit de réduire les durées de manipulation lorsque le principe du réacteur exige l’arrêt pour le chargement : on groupe donc un certain nombre de crayons pour réaliser le combustible. Ce groupage se fait en réseau (carré pour les réacteurs à eau ordinaire, hexagonal pour les RNR), et conduit à des combustibles ayant une masse unitaire de l’ordre de 500 kg et constitués d’une centaine de crayons (62 à 264 pour les réacteurs à eau ordinaire, 271 pour le RNR uploads/Industriel/ uranium.pdf