Etude du comportement thermomécanique d’un crayon combustible à gaine en CSi pour réacteur à eau légère
A Study on Thermo-Mechanical Behaviour of LWR Fuel Rod with SiC Cladding
Toshiba Corporation (Japan)
A study on thermo-mechanical behaviour of the fuel rod with cladding made of Silicon Carbide (SiC) for light water reactor (LWR) is carried out.
In developments of next generation reactors, nuclear fuels are expected to survive longer operation and higher burnup. Current cladding of Zr-based alloy will suffer from heavy oxidation and hydration in such conditions. Besides the development efforts of modification of Zr-based alloy, application of ceramics such as SiC-based material is discussed. An SiC material, SA-TyrannohexTM, which is fabricated from SiC fibres with hot isostatic pressing method and achieves excellent thermal conductivity, was used. The measured thermal conductivity of the un-irradiated material was modelled into FEMAXI-6 computer code to calculate fuel thermo-mechanical behaviour and the irradiation effect on the property was also modelled by assuming additional effects of point defects introduced by neutron irradiation from literature.
Fuel behaviour was calculated with a case in which peak linear heat generation rate (LHGR) of 300W/cm and about 10 years operation were assumed. The burnup achieved over 100GWd/t at peak position. The maximum pellet centreline temperature was 1320°C during its earlier stage of 300W/cm in LHGR. It is therefore considered that the fuel is feasible thermally in LWR application for longer operation with its corrosion resistance feature.
Résumé
Une étude du comportement thermo-mécanique du crayon de combustible à gaine en Carbure de Silicium (CSi) pour réacteurs à eau légère (REL) a été réalisée.
Les développements sur les réacteurs de prochaine génération prévoient une durée d’exploitation plus longue et un taux de combustion plus élevé des combustibles nucléaires. Dans de telles conditions, le gainage actuel en alliage à base de Zirconium sera affecté par une forte oxydation et une forte hydruration. Au delà des efforts de développement portant sur la modification de l'alliage à base de Zr, l’application de la céramique comme par exemple un matériau à base de CSi est évaluée. Un matériau CSi, le SA-TyrannohexTM, fabriqué à partir de fibres de CSi par compression isostatique à chaud et présentant une excellente conductivité thermique a été utilisé. La conductivité thermique mesurée du matériau non irradié a été modélisée avec le code de calcul FEMAXI-6 pour calculer le comportement thermo-mécanique du combustible et l’effet de l’irradiation sur ses propriétés a également été modélisé en prenant en compte les effets supplémentaires résultant de défauts ponctuels générés par l'irradiation neutronique, sur la base des données de la littérature.
Le comportement du combustible a été évalué en considérant une puissance linéique maximale de 300 W/cm et un fonctionnement d'environ 10 ans. Le taux de combustion obtenu a été de 100 GWj/t au point le plus élevé. La température maximale au centre de pastille a été de 1320 °C pendant la phase initiale de 300 W/cm de puissance linéique. On peut donc en déduire qu’un tel combustible est thermiquement envisageable pour une utilisation en REL pour une durée de fonctionnement plus longue grâce à ses caractéristiques de résistance à la corrosion.
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