Un design fiable avec des décennies de performances éprouvées

Développé au Canada, il appartient à la famille des réacteurs à eau lourde sous pression (RSPH). Ses choix fondamentaux de conception, à savoir l'utilisation de l'eau lourde comme modérateur et comme fluide de refroidissement, l'utilisation de tubes de pression horizontaux plutôt que d'un seul grand récipient sous pression et la possibilité de réalimenter en puissance, créent une série d'avantages de sécurité et de fiabilité qui la distinguent des réacteurs à eau légère (RSL). Cet article explore les caractéristiques clés qui rendent la conception CANDU intrinsèquement sûre, opérationnellement flexible et exceptionnellement fiable pendant sa longue durée de vie.

Architecture de base : Comment l'eau lourde et les tubes horizontaux changent le jeu

L'eau lourde comme modérateur et liquide de refroidissement

L'eau « légère » ordinaire absorbe plus de neutrons, ce qui signifie que les LWR ont besoin de combustible enrichi d'uranium (habituellement de 3 à 5 % d'uranium-235) pour maintenir une réaction en chaîne. L'eau lourde absorbe beaucoup moins de neutrons, ce qui permet à un CANDU d'atteindre une criticité avec le combustible naturel d'uranium (0,7% U-235). Cela élimine le besoin d'installations d'enrichissement de l'uranium, réduisant les coûts initiaux en capital et les risques de prolifération.

Tubes de pression horizontaux et la calandre

Le réacteur est constitué d'un grand réservoir cylindrique appelé la calandre, qui contient des centaines de canaux de combustible horizontaux. Chaque canal contient un tube de pression qui transporte le liquide de refroidissement à haute température et haute pression. Le tube de pression est séparé du tube de calandre par un annulaire rempli de gaz, et le modérateur d'eau lourde entoure les tubes de calandre à basse pression et à basse température. Cette séparation du liquide de refroidissement et du modérateur est une pierre angulaire de la sécurité CANDU : le modérateur agit comme un grand évier de chaleur passif qui peut absorber la chaleur de décomposition même si le système de refroidissement primaire échoue.

La disposition horizontale des tubes de pression permet également l'accès à chaque canal. Chaque canal peut être isolé, décommandé et inspecté indépendamment pendant que le réacteur continue de fonctionner. Cette modularité est impossible dans un PWR de type boucle avec un seul récipient et un noyau interne. La conception facilite le ravitaillement en puissance et simplifie la rénovation en milieu de vie, car les assemblages de canaux de combustible peuvent être remplacés sans couper le récipient principal.

Sécurité inhérente : Coefficients négatifs et puits de chaleur passive

Puissance négative et coefficients de vide

Une caractéristique fondamentale de sécurité du CANDU est son coefficient de réactivité fortement négatif. À mesure que la puissance du réacteur augmente, la température du combustible augmente, ce qui entraîne l'effet Doppler d'élargir les résonances d'absorption des neutrons dans l'uranium-238 – ce qui réduit la réactivité.

Dans un CANDU, si le liquide de refroidissement à eau lourde se bouillit (formant des vides), le changement de réactivité est généralement négatif dans des conditions normales d'exploitation.Cela signifie qu'un accident de perte de liquide de refroidissement (LOCA) qui entraîne une fuite de liquide de refroidissement réduira intrinsèquement la puissance du réacteur, plutôt que de provoquer une pic de puissance incontrôlée comme le peut certaines conceptions de LWR dans certaines conditions.

Suppression de la chaleur due à une décay

Même si tous les systèmes de refroidissement d'urgence actifs n'étaient pas disponibles, le CANDU possède plusieurs puits de chaleur passifs. Le modérateur d'eau lourde entourant les tubes de pression peut absorber la chaleur de décomposition pendant plusieurs heures par convection naturelle seulement, empêchant la fusion du combustible. De plus, la voûte de la calandre – une grande structure en béton remplie d'eau légère qui abrite la calandre – fournit un puits de chaleur supplémentaire. Dans les scénarios d'accident grave, la vapeur et le liquide de refroidissement chaud peuvent être rejetés dans la voûte, où elle se condense et est refroidie.

Systèmes de sécurité conçus : Défense en profondeur

Deux systèmes d'arrêt indépendants à action rapide

Chaque réacteur CANDU est équipé de deux systèmes d'arrêt physiquement et fonctionnellement indépendants (SDS1 et SDS2). SDS1 utilise généralement des barres d'arrêt à entraînement gravimétrique en matériau absorbant les neutrons (p. ex., cadmium ou bore). Dans les conceptions plus récentes, les ressorts aident à l'insertion, en assurant une insertion complète en moins de deux secondes. SDS2 injecte un poison à neutrons liquides, solution de nitrate de gadolinium, directement dans le modérateur par des buses à haute pression. Les deux systèmes ont des circuits logiques, des alimentations et des mécanismes d'action complètement distincts.

Refroidissement de base d'urgence et injection multi-étages

Si un tuyau de refroidissement primaire se rompt, le système de refroidissement de base d'urgence (ECCS) permet une injection d'eau en plusieurs étapes. L'injection à haute pression remplit d'abord les canaux de carburant, puis la récupération de la pression moyenne et la recirculation à long terme à l'aide d'eau provenant du puisard du bâtiment ou de sources externes. Comme le noyau est constitué de nombreux canaux horizontaux indépendants, l'eau peut être dirigée précisément vers les zones touchées.

Containment de l'immeuble sous vide

La plupart des stations CANDU à unités multiples sont dotées d'un bâtiment à vide partagé, un système unique de suppression de la pression. L'enveloppe de confinement (bâtiment du réacteur) est reliée au bâtiment à vide par de grandes vannes d'isolement. Dans un accident, les produits de vapeur et de fission rejetés dans le bâtiment du réacteur provoquent une augmentation de pression, qui ouvre les vannes, entraîne le mélange dans le bâtiment à vide.

Circuit primaire à basse pression et fuite avant rupture

Par rapport aux PWR (fonctionnant à ~15 MPa), le liquide de refroidissement primaire CANDU fonctionne à ~10 MPa, et la limite de pression se compose de centaines de tubes de pression de petit diamètre plutôt qu'un seul grand récipient. Chaque tube de pression est entouré d'un tube de calandre, avec l'écart surveillé pour l'humidité. Si un tube de pression développe une fissure, il fuit l'eau lourde dans l'annulaire avant qu'une rupture catastrophique ne se produise, fournissant un avertissement précoce. Ce comportement «leak-avant-break», validé par des décennies de recherche à Laboratoires Nucléaires Canadiens, élimine virtuellement le risque de rupture soudaine de guillotine à double extrémité.

Fiabilité opérationnelle : ravitaillement en puissance et facteurs de capacité élevée

Processus de ravitaillement en continu

Deux machines à combustible à distance, une à chaque extrémité du réacteur, travaillent ensemble. Un nouveau faisceau de combustible est poussé dans une extrémité d'un canal horizontal tandis que le faisceau dépensé est extrait de l'extrémité opposée. Ce processus se produit quotidiennement, remplaçant généralement quelques faisceaux dans chacun des canaux. Par conséquent, le réacteur n'a jamais besoin d'être arrêté pour le ravitaillement, ce qui contraste avec les LWR, qui nécessitent une panne de 2 à 4 semaines tous les 18 à 24 mois pour le ravitaillement.

Cette capacité de ravitaillement continue produit des facteurs de capacité exceptionnels, dépassant souvent 90 % sur une base continue, les unités individuelles atteignant plus de 95 % au cours d'une année donnée. Les installations comme Bruce Power et la station Darlington de Ontario Power Generation au Canada, ainsi que les unités Wolsong en Corée du Sud, se classent constamment parmi les centrales nucléaires les plus performantes au monde.

Entretien en ligne et rénovation de milieu de vie

La conception horizontale des tubes de pression permet également une maintenance en ligne étendue.Les canaux individuels peuvent être décommandés, isolés et inspectés sans affecter les canaux voisins.Les opérateurs ont ainsi pu entreprendre des campagnes de retubage complètes, en remplaçant tous les tubes de pression et les tubes de calandre, dans le cadre de la rénovation de la mi-vie. Par exemple, Bruce Power et Darlington ont réalisé avec succès des projets de retubage pluriannuels, renouvelant efficacement leurs réacteurs et prolongeant leur durée de vie opérationnelle de 25 à 30 ans ou plus.

Flexibilité du carburant: Au-delà de l'uranium naturel

Bien que l'uranium naturel soit la norme, la conception peut aussi fonctionner sur de l'uranium légèrement enrichi (UES, jusqu'à ~1,5 % U-235), l'uranium récupéré provenant du retraitement, de l'oxyde mixte (MOX) et des combustibles à base de thorium. Le cycle du thorium est particulièrement prometteur : le thorium est abondant, produit moins d'actinides de longue durée et peut être élevé en uranium fissiles-233. La capacité de CANDU à utiliser le thorium sans modification majeure de la conception le place comme plate-forme pour des cycles de combustible durables avec une toxicité réduite pour les déchets.

Le groupe CANFLEX (CANDU Flexible Fuelling), développé par les Laboratoires Nucléaires Canadiens et l'industrie, est un groupe de combustible de 43 éléments optimisé pour une combustion plus élevée et une meilleure performance thermique-hydraulique. Il réduit les températures de pointe de la ligne médiane du combustible, améliorant encore les marges de sécurité.

Expérience d'exploitation mondiale et dossier de sécurité

Les réacteurs CANDU ont accumulé plus de 400 années d'exploitation de réacteurs au Canada, en Corée du Sud, en Roumanie, en Chine, en Inde, au Pakistan et en Argentine. Aucun CANDU n'a jamais connu de fusion de cœur ou de rejet important de matières radioactives hors site. Les incidents comme une rupture de tube de pression à Pickering A (1983) ont été contenus par des barrières redondantes et ont entraîné des améliorations à l'échelle de la flotte, notamment le remplacement de tubes de pression Zircaloy-2 par des tubes plus stables de Zr-2.5Nb et l'amélioration des programmes d'inspection.

Après l'accident de Fukushima Daiichi, les unités CANDU en Roumanie (Cernavoda) et au Canada ont fait l'objet d'évaluations exhaustives par les organismes de réglementation, y compris la Commission canadienne de sûreté nucléaire , qui ont confirmé que les usines pouvaient résister à des phénomènes sismiques extrêmes, à des inondations et à des pannes de station sans dommages fondamentaux.

Considérations environnementales et économiques

Les facteurs de capacité élevée signifient que les centrales CANDU produisent plus d'électricité propre par unité d'investissement en capital, réduisant les émissions de carbone par MWh pendant le cycle de vie. Parce qu'elles utilisent de l'uranium naturel sans enrichissement, le cycle de combustible de première ligne a une faible empreinte énergétique et carbone.

D'un point de vue économique, l'élimination des installations d'enrichissement réduit les coûts d'investissement et d'exploitation. La capacité d'exploitation continue sans ravitaillement des pannes améliore la prévisibilité du flux de trésorerie.Les rénovations à mi-vie, bien que coûteuses, prolongent la durée de vie des installations pendant des décennies à une fraction du coût de la construction.

Évolution de la conception : concepts CANDU et futurs

Bien que le CANDU 6 original et ses dérivés demeurent les chevaux de travail, les conceptions évolutives comme le réacteur CANDU avancé (ACR) ont intégré des caractéristiques de sécurité plus passives, comme le refroidissement amélioré des modérateurs, les recombinateurs d'hydrogène passifs et les systèmes simplifiés de réduction des coûts.

La recherche continue sur l'utilisation du CANDU pour la combustion du plutonium provenant des armes démantelées et pour les cycles du combustible thorium. La flexibilité et les caractéristiques de sûreté robustes du réacteur en font un candidat attrayant pour les futurs systèmes d'énergie nucléaire durable.