Patrimoine nucléaire du Canada : le réacteur CANDU en tant que centrale durable

Depuis plus d'un demi-siècle, le programme nucléaire du Canada est ancré par une innovation locale : le réacteur CANDU. Canada Deuterium Uranium, ce réacteur à eau lourde pressurisé fournit de l'électricité propre et fiable à des millions de foyers et d'entreprises tout en positionnant le Canada comme un chef de file mondial dans le domaine de la technologie nucléaire pacifique. Contrairement aux réacteurs à eau légère qui dominent les marchés internationaux, le modèle CANDU est adapté de façon unique aux capacités industrielles et à la disponibilité des ressources canadiennes, en utilisant l'uranium naturel comme combustible, en évitant la nécessité d'une infrastructure d'enrichissement et en permettant le ravitaillement en énergie qui maximise les facteurs de capacité.

Alors que le Canada se dirige vers des émissions nettes nulles d'ici 2050, le parc CANDU est en mesure de jouer un rôle encore plus important, en fournissant une puissance ferme et expéditable qui complète les énergies renouvelables intermittentes et soutient l'électrification des transports, du chauffage et de l'industrie.

Qu'est-ce qui rend les réacteurs CANDU uniques?

Les réacteurs CANDU ont été mis au point dans les années 1950 et 1960 par le biais d'un partenariat entre Énergie atomique du Canada limitée (EACL), Ontario Hydro (maintenant Ontario Power Generation) et l'industrie canadienne. L'innovation fondamentale réside dans l'utilisation de l'eau lourde (oxyde de deutérium) comme modérateur et comme fluide de refroidissement.

Le combustible est emballé dans de petits faisceaux d'environ 50 cm de long et 10 cm de diamètre, qui sont insérés dans des centaines de tubes de pression horizontaux traversant un grand récipient à basse pression appelé la calandre qui contient le modérateur d'eau lourde. La conception horizontale de tubes de pression permet également de réalimenter en puissance—les machines à combustibler robotiques se verrouillent sur des canaux individuels pendant que le réacteur fonctionne à pleine puissance, poussant des faisceaux frais à une extrémité et déchargeant du combustible usé de l'autre.

Réacteurs et durabilité du CANDU : une contribution de trois montants

La durabilité des systèmes énergétiques est généralement évaluée selon trois axes : l'intégrité environnementale, la viabilité économique et la responsabilité sociale.Les réacteurs CANDU font progresser les objectifs canadiens sur les trois fronts, leur contribution la plus célèbre étant l'électricité de base presque sans carbone qu'ils fournissent, en tout temps, par tous les temps.

Faibles émissions de gaz à effet de serre

L'analyse du cycle de vie par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) place l'intensité médiane des émissions d'électricité nucléaire à environ 12 grammes d'équivalent CO2 par kilowatt-heure, comparable à l'énergie éolienne et bien inférieure au gaz naturel (490 gCO2eq/kWh) et au charbon (820 gCO2eq/kWh). L'élimination progressive de la production au charbon de l'Ontario, achevée en 2014, était possible en grande partie parce que le parc CANDU de la province, aux côtés des ressources hydroélectriques, pourrait absorber la capacité thermique perdue sans augmenter les émissions.

Puissance de base fiable et expédiable

Contrairement aux sources renouvelables variables comme l'énergie solaire et éolienne, les réacteurs CANDU produisent de l'électricité en continu, peu importe l'heure de la journée ou les conditions météorologiques. Cet attribut est essentiel pour maintenir la fréquence du réseau et la stabilité de la tension, surtout lorsque les énergies renouvelables intermittentes revendiquent une plus grande part de la capacité de production.

Utilisation efficace des combustibles et gestion des ressources naturelles

Le Canada possède la troisième plus grande réserve d'uranium au monde, concentrée dans le bassin d'Athabasca, dans le nord de la Saskatchewan, et est le deuxième producteur d'uranium au monde. Parce que les réacteurs CANDU extraient plus d'énergie par tonne d'uranium extrait qu'un réacteur à eau légère, une fois par jour, en raison de leur économie de neutrons, ils contribuent à la conservation des ressources tout au long du cycle du combustible.

Flexibilité du cycle du combustible et potentiel de recyclage

Le noyau riche en neutrons d'un réacteur CANDU peut être adapté pour brûler une variété de combustibles au-delà de l'uranium naturel, une pierre angulaire de ses références de durabilité :

  • L'uranium récupéré du combustible usé du réacteur à eau légère:[ Après le déversement de leur combustible par les réacteurs à eau légère, l'uranium restant, contenant encore environ 0,9 % d'uranium 235, peut être fabriqué en faisceaux CANDU, ce qui double efficacement l'énergie extraite du minerai d'origine.
  • Le plutonium séparé du combustible usé peut être mélangé à de l'uranium appauvri pour former du combustible MOX. Les réacteurs CANDU peuvent irradier le MOX pour produire de l'électricité tout en réduisant les stocks de plutonium, en appuyant les objectifs de non-prolifération.
  • Fuel à base de thorium:Le thorium est environ trois fois plus abondant que l'uranium dans la croûte terrestre.Les modèles CANDU peuvent accueillir des combustibles de thorium, qui produisent de l'uranium 233 in situ, ouvrant une ressource énergétique supplémentaire potentiellement vaste.

Ces options de cycle du combustible s'harmonisent avec les principes de l'économie circulaire et peuvent réduire de façon spectaculaire le volume et la radiotoxicité des déchets de haute activité nécessitant une élimination permanente.

Avantages techniques distinctifs de la technologie CANDU

Sécurité intérieure et mécanique

Si un accident de perte de liquide de refroidissement se produit, le modérateur peut éliminer la chaleur de décomposition, ce qui retarde les dommages causés par le carburant. La conception du tube de pression sépare le liquide de refroidissement à haute pression du modérateur à basse pression, ce qui empêche un scénario catastrophique de défaillance d'un navire. Toutes les stations canadiennes CANDU sont équipées de deux systèmes d'arrêt à action rapide, généralement des barres d'arrêt et de l'injection de poison liquide, qui peuvent rapidement mettre fin à la réaction en chaîne. La philosophie de défense en profondeur est régulièrement revue par la Commission canadienne de sûreté nucléaire.

Flexibilité opérationnelle et ravitaillement en puissance

Non seulement le ravitaillement en énergie maximise le facteur de capacité, mais il permet aussi aux exploitants d'inspecter les canaux de combustible et de remplacer les faisceaux individuels sans fermer le réacteur entier. Cette flexibilité rapporte des dividendes économiques en réduisant le coût unitaire de l'électricité sur toute la durée de vie de la centrale. Bruce Power , une station CANDU de huit unités située sur les rives du lac Huron, est l'une des plus grandes installations nucléaires en exploitation au monde et atteint constamment des facteurs de capacité annuelle dépassant 90 %, ce qui démontre la viabilité de la configuration horizontale des tubes de pression.

Échelle et construction modulaire

Les réacteurs CANDU ont été déployés dans des dimensions allant de l'unité de 540 MWe à Point Lepreau au Nouveau-Brunswick à l'unité de 935 MWe Darlington en Ontario. Les études techniques actuelles explorent un concept CANDU --monarch--environ 300 MWe--qui pourrait desservir des réseaux plus petits ou des sites industriels éloignés comme des mines nordiques ou des installations d'extraction de sables bitumineux, le déplacement des générateurs diesel et des turbines au gaz naturel.

Durée de vie opérationnelle longue

Ontario Power Generation effectue une rénovation de plusieurs milliards de dollars de la station Darlington, qui consiste à remplacer les tubes de pression, les tuyaux d'alimentation et les générateurs de vapeur tout en conservant les structures civiles existantes. La première unité à terminer la rénovation est remise en service selon les calendriers et les budgets, et l'ensemble de l'usine devrait livrer de l'électricité dans les années 2050. Des rénovations similaires à la mi-vie du site Bruce sont en cours, assurant que le plus gros actif en énergie propre du Canada demeure productif dans l'avenir.

Impact mondial et déploiement international

Bien que les réacteurs CANDU soient d'origine canadienne, leur influence dépasse largement les frontières du pays. La conception a été exportée vers plusieurs pays, contribuant directement à la coopération mondiale en matière d'approvisionnement en énergie propre et de technologie.

Le programme d'exportation CANDU a également favorisé de solides partenariats internationaux. Par exemple, les quatre unités CANDU-6 de Qinshan, en Chine, faisaient partie d'un accord plus vaste de transfert de technologie qui a aidé la Chine à bâtir une expertise nucléaire nationale. En Roumanie, les deux unités CANDU de Cernavoda fournissent environ 18 % de l'électricité du pays, ce qui contribue à réduire la dépendance au charbon et au gaz.

Avantages pour l'environnement et la collectivité

Au-delà du dioxyde de carbone, l'énergie nucléaire élimine pratiquement les émissions de dioxyde de soufre, d'oxydes d'azote et de particules qui causent le smog et les maladies respiratoires. L'empreinte terrestre d'une station CANDU est compacte : un site polyvalent typique produit des gigawatts d'électricité sur quelques centaines d'hectares, libérant des terres pour l'agriculture, la conservation ou les loisirs. Le secteur nucléaire du Canada est un important employeur et un moteur économique, soutenant plus de 76 000 emplois directs et indirects, avec des fournisseurs situés dans des centaines de collectivités.

La génération en évolution : réacteurs CANDU avancés et petits réacteurs modulaires

Le programme de réacteur CANDU avancé (ACR), bien qu'il soit mis en attente, a permis de recueillir des renseignements précieux sur l'utilisation d'un liquide de refroidissement à eau légère avec un modérateur d'eau lourde pour réduire les coûts d'immobilisations tout en préservant la flexibilité du combustible.

Plusieurs provinces canadiennes, soit l'Ontario, le Nouveau-Brunswick, la Saskatchewan et l'Alberta, ont signé un protocole d'entente pour coopérer au déploiement de la RSM. L'expérience du programme CANDU en eau lourde permet d'élaborer de nouveaux petits réacteurs basés sur la RSM qui pourraient hériter de la capacité de ravitaillement en énergie, de la capacité de l'uranium naturel et des caractéristiques de sûreté passive. Par exemple, le concept de 300 MWe CANDU SMR fait appel aux grappes de combustible CANDU et aux chaînes d'approvisionnement existantes, offrant une voie rentable pour remplacer les centrales au charbon ou fournir de l'énergie hors réseau pour l'extraction des ressources.

Gestion des déchets et voie vers une économie circulaire de combustible

Tous les réacteurs nucléaires produisent du combustible usé qui nécessite une gestion à long terme. L'approche du Canada est guidée par la Loi sur les déchets de combustible nucléaire, qui a prescrit la création de l'Organisation de gestion des déchets nucléaires (OMMN). L'OMN fait avancer un projet de dépôt géologique profond, avec deux communautés hôtes candidates en Ontario. Les paquets de combustible CANDU, qui sont des granulés de céramique solide scellés dans des tubes de zircaloy, sont exceptionnellement stables dans un environnement de dépôt, et le volume de déchets est remarquablement faible : tout le combustible usé produit par les réacteurs Canada=50 ans s'intégrerait dans un bâtiment de la taille d'un gymnase scolaire.

Remédier aux idées fausses communes

Cependant, le dossier de sûreté réel du CANDU est exemplaire. Aucun réacteur CANDU n'a jamais connu de fusion de cœur ou de rejet important de rayonnement hors site. Le pire incident de l'histoire nucléaire commerciale canadienne a été une fissure de tube de pression à la station Pickering en 1983, qui était contenue sans nuire aux travailleurs ou au public et a mené à l'amélioration des matériaux et des protocoles d'inspection appliqués à l'échelle de la flotte. L'exposition aux rayonnements des centrales nucléaires représente moins de 0,1 % de la dose de fond annuelle moyenne du Canada.

Compétitivité économique dans un marché de l'énergie en mutation

Les projets CANDU ne sont pas à l'abri de cette réalité, mais la rénovation des unités existantes s'est avérée être l'une des mesures de décarbonisation les plus rentables disponibles. Le coût de l'électricité (CFE) pour une unité CANDU rénovée, lorsqu'il tient compte de sa durée de vie de 30 ans après la remise en état, tombe souvent en dessous des nouveaux gaz naturels avec captage et stockage du carbone et est concurrentiel avec les grands projets renouvelables une fois que les coûts d'intégration et de sauvegarde du réseau sont inclus. Le système fédéral de tarification du carbone renforce encore davantage l'argument commercial pour le nucléaire en attribuant un coût aux émissions que les concurrents des combustibles fossiles doivent internaliser.

Le rôle des réacteurs CANDU dans l'atteinte des objectifs du Canada en 2050

Le Canada s'est engagé à réaliser des émissions nettes de gaz à effet de serre de zéro d'ici 2050. La modélisation de l'Institut canadien pour les choix climatiques indique que l'électrification des transports, du chauffage et de l'industrie pourrait doubler ou tripler la demande actuelle d'électricité. La satisfaction de cette demande tout en éliminant progressivement toutes les autres sources d'énergie fossiles nécessite une expansion massive de la capacité propre et ferme.Les réacteurs CANDU, existants et nouveaux, devraient constituer une composante essentielle de ce futur bouquet énergétique.

La capacité des réacteurs CANDU à produire de la vapeur à haute température pourrait libérer de nouvelles applications. L'hydrogène produit par des procédés nucléaires par électrolyse à haute température ou par cycles thermochimiques pourrait décarboner la production d'engrais, le raffinage du pétrole et le transport lourd.

Conclusion : Un héritage durable, un avenir dynamique

De l'avant-garde des laboratoires de Chalk River aux grandes stations qui éclairent l'Ontario et le Nouveau-Brunswick, les réacteurs CANDU ont été un moteur silencieux mais puissant de prospérité et de gérance environnementale au Canada. Leur capacité unique à fonctionner sur l'uranium naturel, leur extraordinaire fiabilité et leur compatibilité avec les cycles de pointe du combustible les ont mis à part dans le paysage nucléaire mondial.