RGN N° 2 Mars-Avril 2010 p. 32–39

PWR FUELS: EDF Operating Experience

Combustibles pour réacteurs à eau sous pression : retour d’experience d’EDF

EDF/DPI (France)

Abstract

A substantial effort has been made during the last ten years in order to significantly reduce the nuclear kWh cost using the fuel lever. Particularly, thanks to new core managements, a better optimization has been obtained between nuclear fuel cost and alternative electricity supply cost. At the same time, an improvement of operation flexibility remains a permanent concern for EDF in the specific French context with a large share of electricity supplied by NPP's. Concerning the back end of the cycle, for a long time, EDF strategy has been to recycle the valuable plutonium and uranium extracted from irradiated fuel.

Progressively, a mix of twelve and eighteen months cycle lengths core managements has been implemented on the various series of the nuclear fleet. The maximum discharged bum-up of the fuel for aIl these new core managements has been raised up to 52 GWd/t for aIl UO₂ and MOX fuel assemblies. A large program of out and in pile experiments including LTA irradiations has supported the development and the qualification of new fuel products that meet the required performances with at least the same safety level. Advanced materials have been adopted like M5^TM for AREVA fuel and ZIRLO for Westinghouse fuel, with significant benefits compared to Zircaloy 4, in particular regarding fuel clad corrosion.

The operating requirements are also more demanding regarding fuel performance in terms of ability to sustain load-follow conditions aIl along the cycle but also to run at low power during long periods in order to ease the management of operating hazards.

New primary coolant chemistries like "Li/Boron modified chemistry” (Li =3.5ppm at the beginning of the cycle) and Zinc injection have been tested in reactors and have allowed to demonstrate the absence of adverse effects on fuel corrosion. So “Li/Boron modified chemistry” is now implemented on the most severe core managements considering the potential risk of AOA, and Zinc injection is under consideration for several plants in order to reduce the irradiation dose rate.

Globally, nuclear fuel operating feedback experience is satisfactory. Nevertheless, some unexpected fuel issues have arisen, without any safety risk considering the Operating Technical Specifications limitations. ln this field, the following main issues have been identified: Grid to rod Fretting wear, Clad manufacturing defect and Assemblies'grids hanging-up during loading and unloading. Thanks to the high involvement of EDF engineering division and fuel vendors, solutions for each problem have been identified and already implemented or should be in the near future. Some positive advantages are already noticeable but it will take a long time to fully demonstrate the efficiency of he modifications for the fuel.

ln the new context of open markets in Europe, the stakes for the fuel are slightly modified. This strongly presses EDF to keep on improving the availability factor of the plants. As the fuel reliability contributes to this effort and also could reduce the environmental impact, EDF has decided to focus on this topic in the same way as the Zero by Ten INPO initiative. For instance, specific care should be adopted to reduce the amount of debris in the vessel and to reinforce the fabrication surveillance.

ln addition, EDF considers an increase of the amount of fuel recycling material, particularly for the recycled uranium, and considers an upgrade of the power of some plants.

Résumé

Un effort important a été fait durant ces dix dernières années pour réduire de façon significative le coût du kWh nucléaire en utilisant le levier combustible. En particulier, un meilleur compromis a été trouvé entre le coût du combustible et le coût de l’énergie de substitution grâce à l’adoption de nouvelles gestions des coeurs. Par ailleurs, dans le contexte français d’une contribution très importante du parc nucléaire dans la production globale d’électricité, l’amélioration de la souplesse d’exploitation des tranches demeure un objectif permanent pour EDF. Concernant l’aval du cycle, la stratégie d’EDF repose, depuis longtemps, sur le recyclage des matières fissiles issues du retraitement du combustible irradié.

Progressivement, un mixte de gestions avec des cycles de 12 ou 18 mois a été mis en oeuvre sur le parc nucléaire. Par ailleurs, le taux de combustion maximum de décharge du combustible pour toutes ces gestions a été porté jusqu’à 52 GWj/t quel que soit le type de combustible UO₂ ou MOX. Ces évolutions de gestion ont été rendues possibles grâce au développement et à la qualification de nouvelles conceptions d’assemblages s’appuyant sur un vaste programme d’expériences en pile et hors pile incluant le chargement en réacteur d’assemblages de démonstration. Ces nouveaux produits combustible satisfont aux performances requises avec le même niveau de sûreté. Pour cela, il a fallu recourir dans certains cas à de nouveaux matériaux tels le M5 (AREVA) et le ZIRLO (Westinghouse), dont la particularité est de présenter des performances accrues par rapport au Zircaloy 4, notamment vis-à-vis de la corrosion des gaines de combustible.

Les nouvelles exigences en matière d’exploitation des réacteurs sont plus contraignantes pour le combustible compte tenu du fonctionnement en suivi de réseau des tranches et ce durant tout le cycle, mais aussi en raison des possibilités de fonctionner à faible puissance pendant de longues périodes pour faire face aux aléas d’exploitation.

De nouvelles chimies du circuit primaire comme la chimie coordonnée modifiée Li/Bore (Li =3,5 ppm en début de cycle) et l’injection de zinc ont été d’abord testées en réacteur pour en particulier vérifier l’absence d’effet néfaste sur la corrosion des gaines. Aujourd’hui, la chimie modifiée est utilisée dans les gestions les plus sollicitantes vis-à-vis du risque potentiel d’anomalie d’axial offset et l’injection de zinc est envisagée sur plusieurs tranches avec comme objectif la réduction de la dosimétrie.

Globalement, le retour d’expérience concernant le combustible est satisfaisant. Néanmoins, quelques problèmes nouveaux sont apparus, sans toutefois remettre en cause la sûreté des tranches compte tenu des limitations imposées par les spécifications techniques d’exploitation relatives à l’activité relâchée dans le circuit primaire. Les principaux problèmes rencontrés ont été : l’usure des gaines par “fretting”, les défauts de fabrication des gaines et les accrochages entre assemblages durant la manutention au cours des opérations de rechargement et de déchargement. Grâce à la forte implication des ingénieries des fournisseurs et d’EDF, des solutions à tous ces problèmes ont été rapidement trouvées et déployées ou le seront dans un proche avenir. Des résultats intéressants ont d’ores et déjà été enregistrés mais il faudra encore attendre pour disposer des éléments permettant de véritablement statuer sur l’efficacité des dernières modifications apportées.

Dans le nouveau contexte de l’ouverture du marché européen, les enjeux pour le combustible évoluent quelque peu. Ainsi EDF est plus que jamais soucieux d’améliorer très significativement la disponibilité de son parc nucléaire. A cet égard les progrès en termes de fiabilité du combustible peuvent aider à l’atteinte de l’objectif, de même qu’ils peuvent contribuer à réduire l’impact environnemental des pertes d’étanchéité du combustible. C’est pourquoi EDF a décidé de porter un effort particulier sur ce sujet avec une vision similaire à celle qui a prévalu dans l’élaboration du projet “Zero by Ten” de l’INPO. Par exemple, une attention particulière sera apportée à la prévention du risque de perte d’objets dans la cuve et sur le renforcement de la surveillance des fabrications.

De plus, EDF envisage d’une part d’augmenter le volume du recyclage des matières issues du retraitement et en particulier de l’uranium de retraitement et d’autre part d’augmenter la puissance de certaines tranches.