Assessment of Cold Composite Fuels for PWRs

Evaluation de combustibles composites froids en réacteurs à eau pressurisée

CEA (France)

Abstract

This study is devoted to the evaluation of a new innovative micro structured fuel for future pressurized water reactor. This fuel should have the potential to increase the safety margins, lowering fuel temperatures by adding a small fraction of a high conductivity second phase material, the matrix, in the oxide fuel phase. After matrix selection, two different composite fuels were studied: first, a CERCER (CERamic = UO₂-CERamic matrix made of silicon carbide, SiC) fuel type has been investigated, the advantages of a ceramic being generally its transparency to neutrons and its high melting temperature. The study then focused on CERMET fuels (CERamic-METal). Several materials have been considered such as zirconium alloys, austenitic and ferritic stainless steels and chromium based alloys. The behavior of this fuel in a standard rod has been modeled with finite element codes and was assessed for different aspects of the cycle as neutronic studies, thermal behavior in normal, incidental and accidental conditions. Feasibility of fuels has been investigated with the fabrication and characterizations of the microstructure of composite fuels with powder metallurgy and HIP processes. Finally, a global evaluation is given.

Résumé

Cet article est consacré à l’évaluation de nouveaux combustibles composites pour les futurs réacteurs à eau pressurisée. Ce type de combustible devrait permettre l’accroissement des marges de sûreté par la réduction des températures du combustible grâce à l’addition dans la phase d’oxyde d’une petite fraction d’un matériau à haute conductivité thermique : tout d’abord, un combustible de type CERCER (CERamic = UO₂- CERamic matrice en carbure de silicium, CSi) a été évalué, les avantages habituels d’une céramique étant sa transparence aux neutrons et sa température de fusion élevée. Puis l’étude a été focalisée sur les CERMETs (CERamic= UO₂ –matrice METal). Plusieurs matrices métalliques ont été considérées comme les alliages de zirconium, les aciers austénitiques et ferritiques et les alliages à base de chrome. La microstructure des CERMETs a été modélisée par un code aux éléments finis et ceux-ci ont été évalués pour différents aspects du cycle comme le comportement neutronique dans un coeur de REP, le comportement thermique en conditions normales, incidentelles et accidentelles. La fabricabilité par métallurgies des poudres et par HIP de ces combustibles composites a été évaluée et les microstructures obtenues ont été caractérisées. Finalement, une évaluation globale de ces combustibles composite est proposée.