Qu’est-ce que la conduction thermique dans une tige de combustible – Définition

Conduction thermique dans une barre de combustible

Conduction thermique dans une barre de combustible

La plupart des REP utilisent l’ uranium , sous forme de dioxyde d’uranium . Le dioxyde d’uranium est un solide noir semi-conducteur à très basse conductivité thermique. En revanche, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et un comportement bien connu. L’UO ₂ est pressé en pastilles cylindriques , ces pastilles sont ensuite frittées dans le solide.

Ces pastilles cylindriques sont ensuite chargées et encapsulées dans un crayon de combustible (ou crayon de combustible) en alliages de zirconium en raison de sa très faible section transversale d’ absorption (contrairement à l’acier inoxydable). La surface du tube, qui recouvre les pellets, est appelée gaine combustible .

Voir aussi:  Conduction thermique du dioxyde d’uranium

Le comportement thermique et mécanique des pastilles de combustible  et des barres de combustible constitue l’une des trois principales disciplines de conception. Le combustible nucléaire fonctionne dans des conditions très inhospitalières (thermique, à rayonnement, mécanique) et doit résister à un fonctionnement supérieur aux conditions normales. Par exemple, les températures au centre des pastilles de combustible atteignent plus de 1000 ° C (1832 ° F) accompagnées de rejets de gaz de fission. Par conséquent, une connaissance approfondie de la répartition de la température dans une seule barre de combustible est essentielle pour une exploitation sûre du combustible nucléaire. Dans cette section, nous étudierons l’équation de conduction thermique en coordonnées cylindriques.utilisation de la condition limite de Dirichlet avec une température de surface donnée (c’est-à-dire utilisation de la condition limite de Dirichlet). Une analyse complète du profil de température des barres de combustible sera étudiée dans une section distincte.

Température dans l’axe d’une pastille de combustible

Considérons la pastille de combustible de rayon r _U = 0,40 cm , dans laquelle il existe une génération de chaleur uniforme et constante par unité de volume, q _V [W / m ³ ] . Au lieu du débit calorifique volumétrique q _V [W / m ³ ], les ingénieurs utilisent souvent le débit calorifique linéaire, q _L [W / m] , qui représente le débit calorifique d’un mètre de barre de combustible. Le taux de chaleur linéaire peut être calculé à partir du taux de chaleur volumétrique comme suit:

La ligne médiane est prise comme origine pour la coordonnée r. En raison de la symétrie dans la direction z et dans la direction azimutale, nous pouvons séparer les variables et simplifier ce problème en problème à une dimension . Ainsi, nous allons résoudre pour la température en fonction du rayon, T (r) , seulement. Pour une conductivité thermique constante , k, la forme appropriée de l’ équation de chaleur cylindrique est la suivante:

La solution générale de cette équation est:

où C ₁ et C ₂ sont les constantes d’intégration.

Calculez la distribution de température, T (r) , dans cette pastille de combustible, si:

• la température à la surface de la pastille de combustible est T _U = 420 ° C
• le rayon des pastilles de combustible r _U = 4 mm .
• la conductivité moyenne du matériau est k = 2,8 W / mK (correspond au dioxyde d’uranium à 1000 ° C)
• le taux de chaleur linéaire est q _L = 300 W / cm et donc le taux de chaleur volumétrique est q _V = 597 x 10 ⁶ W / m ³

Dans ce cas, la surface est maintenue à une température donnée T _U . Cela correspond à la condition aux limites de Dirichlet . De plus, ce problème est thermiquement symétrique et, par conséquent, nous pouvons également utiliser la condition aux limites de symétrie thermique . Les constantes peuvent être évaluées en utilisant la substitution dans la solution générale et sont de la forme:

La distribution de température résultante et la température de ligne médiane (r = 0) (maximale) dans cette pastille de combustible cylindrique à ces conditions aux limites spécifiques seront:

Le flux de chaleur radial à n’importe quel rayon, q _r [Wm ^-1 ], dans le cylindre peut, bien sûr, être déterminé en utilisant la distribution de température et avec la loi de Fourier . Notez qu’avec la génération de chaleur, le flux de chaleur n’est plus indépendant de r.

La figure suivante montre la distribution de température dans la pastille de combustible à différents niveaux de puissance.

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La température dans un réacteur en fonctionnement varie d’un point à l’autre du système. En conséquence, il y a toujours un crayon combustible et un volume local , qui sont plus chauds  que tous les autres. Afin de limiter ces endroits chauds, les limites de puissance de crête doivent être introduites. Les limites de puissance de pointe sont associées à une crise d’ébullition et aux conditions susceptibles de provoquer la fonte des pastilles de combustible. Cependant, des considérations métallurgiques imposent des limites supérieures à la température de la gaine de combustible et de la pastille de combustible. Au-dessus de ces températuresil existe un risque d’endommagement du carburant. L’un des objectifs majeurs de la conception d’un réacteur nucléaire est de prévoir l’évacuation de la chaleur produite au niveau de puissance souhaité, tout en garantissant que la température maximale du combustible et la température maximale de la gaine sont toujours inférieures à ces valeurs prédéterminées.