La Commission de réglementation nucléaire joue un rôle dans la promotion des combustibles tolérants aux accidents

La Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (CNRC) a joué un rôle déterminant dans l'élaboration des voies réglementaires et techniques qui permettent de faire passer ces concepts de pointe en matière de combustible des réacteurs de recherche aux centrales nucléaires autorisées. Bien que les fournisseurs de combustible, les laboratoires nationaux et les partenaires internationaux aient été à l'origine de la science des matériaux, c'est la surveillance rigoureuse du CNRC, la mise à jour des cadres de délivrance des permis et la participation active à des programmes de recherche qui ont permis de garantir le déploiement de ces combustibles en toute sécurité et efficacement.

Qu'est-ce que les carburants tolérants aux accidents?

Les carburants résistant aux accidents sont des carburants avancés qui peuvent résister à des conditions d'accident graves pendant des périodes beaucoup plus longues que le dioxyde d'uranium (UO2) utilisé dans les alliages de zirconium. Dans des scénarios extrêmes, comme la perte de liquide de refroidissement ou l'arrêt de station, le combustible conventionnel peut se dégrader rapidement, produisant de l'hydrogène par l'intermédiaire de la réaction zirconium-eau et libérant des produits de fission.

  • Matériaux de revêtement améliorés:[ Alliages fer-chromium-aluminium (FeCrAl), revêtement composite en carbure de silicium (SiC) et revêtement en zirconium résistent à l'oxydation et à la production d'hydrogène à haute température.
  • Les granulés de combustible avancés :[ Les solvants dopés UO2, le silicicide à l'uranium à haute densité (U3Si2) et les combustibles entièrement microencapsulés en céramique (FCM) offrent une meilleure conductivité thermique, une rétention des produits de fission et une interaction réduite entre les granulés et les éclaboussures.
  • Plusieurs fournisseurs développent des systèmes de revêtement à double couche qui combinent résistance à l'oxydation et résistance mécanique.

L'objectif principal est de fournir aux exploitants de réacteurs un temps d'adaptation supplémentaire pendant les accidents — heures ou même jours — par rapport aux 30 minutes actuelles à une heure pour certaines conceptions de combustible existantes, ce qui réduit considérablement le risque de dommages au cœur et de rejets radiologiques.

Le CNRC a adopté un cadre réglementaire en évolution pour les FTA

L'une des contributions les plus importantes du CNRC a été l'établissement d'un environnement réglementaire prévisible et axé sur les risques qui favorise l'innovation sans compromettre la sécurité.

Engagement précoce et activités préalables à la demande

À partir du début des années 2010, le CNRC a amorcé des interactions préalables à la demande avec les promoteurs de l'ATF, notamment Westinghouse, GE Hitachi, Framatome et Ultra Safe Nuclear Corporation, afin de comprendre les concepts de combustible émergents et de cerner les lacunes réglementaires potentielles.Le Bureau de la recherche en réglementation nucléaire a publié des rapports techniques sur la cinétique d'oxydation du revêtement, le comportement mécanique des barres de combustible et la libération de produits de fission pour les matériaux candidats à l'ATF. Ces rapports ont constitué la base technique pour l'octroi de licences subséquentes de rapports d'actualité.

En 2016, le CNRC a publié Regulatory Guide (RG) 1.224, -Qualification des matériaux de revêtement avancés pour les combustibles tolérants aux accidents, - qui a fourni une méthodologie structurée pour démontrer que les nouveaux matériaux de revêtement répondent aux critères de sécurité spécifiés dans la partie 50 du CFR. Toutefois, le guide a été mis à jour à plusieurs reprises pour tenir compte des leçons tirées des premières expériences d'irradiation au réacteur d'essai avancé du Laboratoire national Idaho.

Rapports thématiques et approbations de permis

En 2020, le CNRC avait approuvé plusieurs rapports thématiques clés pour les tiges d'essai au plomb (LTR) et les ensembles d'essai au plomb (LTA) de l'ATF insérés dans des réacteurs commerciaux. Par exemple, en 2021, le CNRC a approuvé le rapport thématique de Westinghouse pour ses granulés de combustible revêtus de chrome (Zircaloy-4) et ADOPTTM. L'approbation a permis à Westinghouse d'accroître l'enrichissement de ses tiges de combustible et de mettre en place le nouveau revêtement dans les installations en exploitation sous une licence modifiée.

Ces approbations exigeaient que le CNRC élabore de nouveaux critères d'acceptation pour la résistance à l'oxydation, la ductilité de revêtement et le comportement de corrosion lors d'un incinération élevé. Le personnel a procédé à des examens approfondis des données sur les fournisseurs provenant de campagnes expérimentales menées au Laboratoire national d'Oak Ridge, au Projet de réacteur Halden et à l'installation d'essai de réacteur transitoire (TREAT).

Inspection et surveillance pendant l'insertion

Une fois que les ATA de l'ATF ont été introduites dans des réacteurs commerciaux, en 2019 avec les installations de calverts 1 et de Callaway, le CNRC a établi des procédures d'inspection spécialisées, notamment des examens plus poussés après l'irradiation, des essais ultrasoniques supplémentaires de revêtement et des protocoles révisés de lixiviation des déchets pour la fabrication du combustible.

Programmes de recherche et d'essais en collaboration

Le CNRC a financé de nombreuses initiatives de recherche qui appuient directement le développement de la FTA et y a participé, ce qui a permis de combler l'écart entre la science fondamentale des matériaux et l'octroi de licences pratiques.

Initiatives conjointes DOE-CNRC

Dans le cadre d'un protocole d'entente avec le ministère de l'Énergie (DOE), le CNRC a contribué à l'expertise du Programme de carburant tolérant à l'accident géré par le Laboratoire national Idaho. Les chercheurs du CNRC ont co-écrit des études sur l'oxydation du revêtement sous vapeur et à haute température, des essais simulés de LOCA (accident de refroidissement) et des expériences de dommages graves au carburant.

Parallèlement, le CNRC a établi la série d'ateliers ATF Phenomena Identification and Ranking Table (PIRT)[, faisant appel à des experts de laboratoires nationaux, d'universités et d'industries pour établir des priorités en matière de sécurité.

Collaboration internationale

Le CNRC a participé activement au Cadre d'essais d'irradiation de l'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire (AEN), où des matériaux de revêtement de l'ATF ont été testés dans le réacteur Studsvik R2 en Suède et le réacteur BR-2 en Belgique. Grâce à ces projets, le CNRC a pu obtenir des données mondiales sur la croissance par irradiation, le fluage et la corrosion sous contrainte des revêtements avancés.

De plus, le CNRC a conclu des ententes bilatérales avec des organismes de réglementation au Canada, en France, au Japon et en Corée du Sud, qui permettent de tenir des réunions conjointes de haut niveau sur les approches réglementaires de l'ATF, comme la façon de traiter les revêtements à double usage à la fois structurels et fonctionnels.

Impact sur la sécurité et le rendement des réacteurs

L'engagement proactif du CNRC dans le développement de la FTA a déjà produit des avantages tangibles en matière de sécurité et de fonctionnement.

  • La résistance à l'oxydation est au moins 10 fois meilleure que la Zircaloy-4 conventionnelle dans des conditions d'accident riches en vapeur (selon les essais de température à la rampe au Laboratoire national d'Oak Ridge).
  • La production d'hydrogène est réduite par des ordres de grandeur lors de scénarios simulés de panne de station, ce qui réduit le risque d'explosions d'hydrogène.
  • Le comportement à forte combustion[ (au-dessus de 60 GWd/tU) montre une interaction moins forte entre les granules et les gaz de fission, ce qui permet de prolonger les cycles de carburant et de réduire la fréquence des pannes.

L'analyse des scénarios d'extension du cycle du combustible par le CNRC a montré que l'utilisation de l'ATF pouvait permettre aux services publics de fonctionner avec des densités de puissance plus élevées ou des longueurs de cycle plus longues sans augmenter la fréquence des dommages au cœur. De plus, la capacité des ATF de survivre à une perte complète de refroidissement pendant plusieurs heures, démontrée par des essais à effet intégral à l'installation LOFT, pourrait prévenir les dommages au cœur dans des scénarios qui ont déjà entraîné une panne de carburant précoce.

Orientations futures : de l'ATF aux carburants avancés pour réacteurs

Le CNRC collabore avec les ATF non seulement pour améliorer les réacteurs à eau légère actuels, mais aussi pour établir une base réglementaire pour les réacteurs de pointe de la prochaine génération. Bon nombre des matériaux de revêtement et de combustible mis au point pour les ATF, comme les composites SiC et le silicide à l'uranium, s'appliquent directement aux réacteurs refroidis au gaz à haute température, aux réacteurs à sel fondu et aux réacteurs rapides.

Élargir le cadre aux conceptions autres que celles du LWR

En 2023, le CNRC a publié une ébauche Directive de réglementation sur les carburants qui étend la méthodologie de qualification de l'ATF aux nouveaux types de réacteurs. L'orientation comprend des méthodes probabilistes d'évaluation des risques propres aux formes de combustible particulaire, à la chimie du sel fondu et au revêtement réfractaire.

Qualification à haut rendement

Pour accélérer la qualification future du carburant sans compromettre la sécurité, le CNRC étudie des méthodes de mise à l'échelle basées sur le phénomène et à des essais de substitution. Par exemple, l'organisme élabore des codes pour modéliser le comportement du carburant dans différentes conditions d'irradiation, réduisant ainsi le besoin d'expériences de combustion prolongées. Le nouveau cadre de «fort>Code de qualification du carburant (CQF), actuellement en cours de validation, utilise l'apprentissage automatique pour prédire le rendement du carburant en fonction de la microstructure et de l'évolution des défauts, ce qui pourrait réduire le temps de certification d'un nouveau carburant de ~20 ans à <10 ans.

Harmonisation internationale

Reconnaissant que le combustible nucléaire est de plus en plus un produit mondial, le CNRC a dirigé les efforts visant à harmoniser l'ATF et les règlements sur les carburants de pointe avec l'Association internationale des régulateurs nucléaires (INRA) et le Programme multinational d'évaluation de la conception (MDEP). L'organisme préside le Groupe de travail sur la sûreté du combustible du MDEP, qui a publié en 2024 un ensemble commun de critères d'acceptation de l'ATF, qui portent sur l'oxydation par revêtement, la pression d'éclatement et le gonflement des tiges de combustible, ce qui constitue une base que les régulateurs des pays membres peuvent adopter.

Défis et travaux restants

Malgré des progrès remarquables, plusieurs défis demeurent avant que les FTA ne deviennent la norme de l'industrie. Le CNRC s'attaque activement à ces questions par la recherche et l'établissement de règles en cours.

  • Qualité élevée en combustion dans des conditions prototypiques:[ La plupart des revêtements ATF n'ont été testés que pour des incinérations de 30 à 40 GWd/tU. L'extrapolation à 60 GWd/tU ou plus nécessite des données d'irradiation supplémentaires et des essais de rupture de fluage à des températures élevées.
  • Intérité de la structure du montage de carburant:[ Certains revêtements de l'ATF ont des propriétés mécaniques différentes (p. ex., une résistance à la rupture plus faible de SiC) qui pourraient affecter l'inclinaison du montage de carburant et le contact de la tige à la tige lors d'un événement sismique.
  • Marges de sécurité pour les accidents hors de la conception : Les FTA actuels sont testés jusqu'à 1200°C conformément aux règlements du CNRC, mais certains revêtements avancés maintiennent l'intégrité à 1400°C ou plus. Le CNRC réévalue si des marges de température plus élevées pourraient être créditées pour réduire le risque de dommages au cœur, mais cela nécessite une nouvelle licence pour le rendement du système de refroidissement central d'urgence (ECCS).
  • Fabrication et contrôle de la qualité : Les revêtements ATF comportent souvent des processus de production en plusieurs étapes (p. ex., pulvérisation à froid, dépôt de vapeur chimique) qui introduisent de nouveaux types de défauts.

Le CNRC prévoit également un énoncé d'impact environnemental générique (GEIS) pour les FTA afin de traiter les effets cumulatifs d'un déploiement généralisé, ce qui simplifierait l'octroi de licences aux FTA dans plusieurs usines et éviterait les examens environnementaux cas par cas.

Conclusions

En établissant un cadre réglementaire solide et flexible, en menant et en finançant des recherches ciblées et en favorisant la coopération internationale, l'organisme a permis l'introduction sécuritaire de matériaux qui améliorent sensiblement les marges de sûreté nucléaire. L'insertion précoce d'ensembles d'essais au plomb de l'ATF dans les réacteurs commerciaux, sans incidents de sûreté, valide l'approche de l'engagement précoce du CNRC et de l'octroi de licences supplémentaires.

L'engagement de l'organisme à prendre des décisions fondées sur les données et fondées sur les risques demeure essentiel pour renforcer la confiance du public à l'égard des nouvelles technologies nucléaires. À mesure que les FTA s'orientent vers des recharges complètes au milieu des années 20, le CNRC continuera d'affiner ses protocoles d'inspection, de mettre à jour ses guides réglementaires et d'investir dans l'infrastructure expérimentale nécessaire pour certifier les combustibles de la prochaine génération.

Ressources extérieures: