Le génie distinctif des réacteurs CANDU

Le réacteur CANDU, un acronyme pour CANada Deuterium Uranium, représente un réacteur à eau lourde pressurisée distinct qui fournit de l'électricité aux réseaux au Canada et dans six autres pays depuis plus d'un demi-siècle. Son principe de base est l'utilisation de l'eau lourde (oxyde de deutérium, D2]O) comme modérateur de neutrons et comme réfrigérant primaire.Ce choix modifie fondamentalement la physique du réacteur et débloque un profil d'efficacité du combustible non assorti par les réacteurs à eau légère (LWR).En raison de l'absorption d'eau lourde beaucoup moins de neutrons que l'eau ordinaire, l'économie de neutrons à l'intérieur d'un noyau CANDU est exceptionnellement élevée.Cette abondance de neutrons thermiques permet au réacteur de maintenir une réaction de chaîne de fission à l'aide de combustibles naturels à l'uranium qui n'ont pas subi d'enrichissement isotopique, contournant ainsi l'ensemble de l'infrastructure d'enrichissement en amont que nécessitent

L'utilisation du dioxyde d'uranium naturel (UO2) dans les tubes à pression pliables, plutôt qu'un seul grand récipient à pression, définit l'architecture CANDU. Chaque canal de combustible est un ensemble horizontal distinct auquel on peut accéder à distance pendant le fonctionnement à pleine puissance. Cette capacité de ravitaillement en énergie constitue une pierre angulaire de l'efficacité énergétique de la flotte, permettant aux exploitants de remplacer de petits lots de combustible pendant que le réacteur reste à pleine puissance électrique, éliminant ainsi les pannes de ravitaillement prévues qui forcent d'autres types de réacteurs hors ligne. L'ajout continu de combustible frais et l'élimination du combustible usé permettent au réacteur de fonctionner avec une très faible réactivité excessive, ce qui simplifie le contrôle et réduit l'absorption parasite de neutrons dans les matériaux de contrôle.

Économie de Neutron et utilisation naturelle de l'uranium

Dans un réacteur à eau légère, le modérateur absorbe suffisamment de neutrons thermiques qui ne peuvent compenser que l'uranium enrichi, généralement de 3 à 5 % d'uranium 235. Le modérateur de l'eau lourde CANDU238 absorbe environ 1/70 de neutrons comme de l'eau légère, de sorte que le réacteur peut maintenir la criticité avec l'uranium naturel contenant seulement 0,7 % U-235. Le reste de l'uranium-238, qui est fertile, capture les neutrons pour créer du plutonium-239, qui fissuration et contribue à une part croissante de la puissance totale du combustible, car le groupe de combustible réside dans le noyau.

Le brûlage, mesuré en mégawatt-jours par tonne d'uranium (MWd/tU), est la norme pour l'efficacité énergétique. Les unités CANDU au début de Pickering ont atteint des niveaux de brûlage d'environ 7 500 MWd/tU dans les années 70, déjà respectables pour l'uranium naturel. Aujourd'hui, les faisceaux d'uranium naturel de 37 éléments exploités dans les stations Darlington et Bruce B dépassent systématiquement 8,500 MWd/tU[, alors que les modèles avancés de faisceau ont démontré la capacité de dépasser 20,000 MWd/tU[ dans les campagnes d'irradiation et de démonstration de recherche.

Réalisations en matière d'utilisation des combustibles

Les services publics canadiens et leurs partenaires de recherche ont systématiquement amélioré la performance des combustibles CANDU depuis plusieurs décennies. Trois réalisations principales méritent une attention particulière, car elles illustrent la profondeur de l'expérience opérationnelle qui peut se traduire par des gains substantiels dans l'utilisation des combustibles et l'économie globale des usines.

Pousser la brûlure au-delà des limites historiques

Le développement du faisceau CANFLEX (CANDU Flexible Fuelling) était un point tournant. Ce faisceau de 43 éléments, développé par Énergie atomique du Canada limitée (AECL) et l'Institut coréen de recherche sur l'énergie atomique (KAERI), utilise des éléments de combustible plus minces disposés dans une configuration qui réduit la puissance linéaire maximale et améliore le mélange de liquide de refroidissement. En abaissant la température de l'élément de pointe, les faisceaux CANFLEX peuvent accueillir en toute sécurité une combustion plus élevée sans violer les limites d'intégrité du combustible. Les essais en pile au réacteur NRU et les campagnes commerciales d'irradiation subséquentes à Point Lepreau et Wolsong ont validé des niveaux de combustion supérieurs à 20 000 MWd/tU, soit environ deux fois et demie la valeur typique du combustible CANDU de première génération.

Cycles prolongés de carburant et gains de capacité

Au lieu de fonctionner dans des cycles fixes de 12 à 24 mois, une unité CANDU subit chaque année des centaines de petites opérations de ravitaillement, avec un ou deux faisceaux remplacés par un passage de canal. La capacité d'adapter le programme de ravitaillement à l'état de combustion réel de chaque canal a permis aux services publics d'étendre indéfiniment le cycle de combustible effectif, limité uniquement par la nécessité d'entretenir périodiquement les turbines et la balance des centrales. Il en résulte une flotte qui atteint régulièrement des facteurs de capacité annuelle de plus de 90 %, les unités de Bruce Power ayant souvent dépassé 95 %. Ce modèle opérationnel réduit l'impact par kilowattheure des coûts fixes en capital et améliore directement l'économie de vie de l'usine.

Réduire au minimum le volume de combustible usé

Comme les réacteurs CANDU extraient plus d'énergie thermique de chaque tonne d'uranium que les réacteurs LWR proviennent de combustibles enrichis (après avoir tenu compte de l'analyse des résidus d'enrichissement), ils produisent beaucoup moins de combustible usé par térawatt-heure d'électricité produite. Une unité typique de 700 MW CANDU 6 rejette environ 100–130 tonnes de combustible usé par année, tandis qu'un LWR équivalent de même production rejetterait une plus grande masse de combustible enrichi usé, bien qu'avec une composition isotopique différente. Ce volume réduit de combustible usé simplifie le stockage provisoire dans les stations et réduit le fardeau à long terme sur tout futur dépôt géologique.

Le CANDU Owners Group (COG)[ a compilé de nombreuses données opérationnelles confirmant que les taux de défaut de carburant dans la flotte canadienne demeurent inférieurs à 0,01%, une mesure de pointe mondiale qui soutient directement les ambitions de combustion élevées. Ces faibles taux de défaillance sont le produit d'un contrôle rigoureux de la qualité pendant la fabrication des paquets, d'améliorations de la métallurgie en habillage (Zircaloy-4 et alliages plus récents) et d'une gestion opérationnelle conservatrice. Ensemble, ces réalisations constituent une base solide pour la prochaine génération d'innovations en matière de carburant.

Carte routière future: carburants, matériaux et intégration numérique

L'industrie nucléaire canadienne, appuyée par Ressources naturelles Canada[ et la communauté internationale en général, poursuit activement plusieurs volets technologiques visant à améliorer davantage l'efficacité, la durabilité et la sûreté du combustible.Les objectifs suivants définissent l'évolution à court et à moyen terme des cycles du combustible CANDU, en mettant l'accent sur des améliorations progressives qui peuvent être introduites sans modifications majeures des réacteurs tout en explorant des options de transformation à long terme.

Cycles de carburant avancés : MOX, DUPIC et Thorium

L'une des stratégies les plus prometteuses à court terme est l'introduction de combustible à base d'oxyde mixte (MOX), dans lequel le plutonium récupéré à partir de combustibles usés est mélangé à de l'oxyde d'uranium naturel ou appauvri. L'équilibre à neutrons CANDU (L'utilisation directe du combustible usé de PWR dans CANDU) est un réacteur idéal pour l'élimination du plutonium, car il peut être brûlé avec MOX sans nécessiter de modifications matérielles majeures. Le cycle DUPIC[ (Utilisation directe du combustible usé de PWR dans CANDU) est lancé par KAERI en collaboration avec le Canada.

Un mélange thorium-uranium ou thorium-plutonium pourrait améliorer encore la durabilité. Les vastes réserves de thorium du Canada, documentées par l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) , pourraient stimuler la combustion tout en produisant suffisamment d'U-233 pour remplacer partiellement ou complètement l'inventaire initial de la production de combustible fissile au fil du temps. La possibilité de réaliser un cycle de combustible à proche consanguinité dans un réacteur à tubes à pression pourrait considérablement étendre les ressources mondiales en uranium et réduire la radiotoxicité des déchets à long terme.

Combustible tolérant aux accidents et claquage avancé

Les travaux de recherche menés dans le cadre du projet et de la communauté internationale élargie des combustibles tolérants aux accidents (ATF) se concentrent sur des matériaux de revêtement tels que les composites de silicium-carbide (SiC/SiC), les alliages d'aluminium-chromium (FeCrAl) et les concepts à base de zirconium revêtus. Ces matériaux offrent des cinétiques d'oxydation beaucoup plus lentes dans la vapeur à haute température, en maintenant l'intégrité structurelle pendant de plus longues périodes pendant les accidents. Pour CANDU, l'adoption de l'ATF encastrerait directement l'enveloppe de sécurité pour des taux de chaleur linéaires plus élevés et permettrait d'atteindre des objectifs de combustion plus sûrs au-delà de 30 000 MWd/tU avec des géométries avancées de faisceau.

Jumelles numériques et optimisation des performances en temps réel du carburant

Les codes modernes tels que RFSP (Reactor Fuelling Simulation Program) et les solutions neutroniques-thermhydrauliques couplées avancées, validés par rapport à des milliards d'heures de fonctionnement, permettent aux physiciens de station de prévoir l'état de combustion de chaque canal de carburant en temps quasi réel. En joignant ces simulations à des plates-formes numériques jumelées, les opérateurs peuvent optimiser les calendriers de ravitaillement pour aplatir la distribution de l'énergie du canal, réduire la puissance du canal de pointe et prolonger l'intervalle entre les visites de ravitaillement. Candu Energy Inc., un membre du groupe SNC-Lavalin, a démontré que ces outils peuvent augmenter la combustion moyenne de plusieurs pour cent sans changement de matériel, simplement en optimisant la séquence et le moment des poussées de carburant.

Petits réacteurs modulaires et héritage CANDU

Les leçons tirées de l'efficacité énergétique de la flotte CANDU à grande échelle sont directement transplantées dans la prochaine génération de petits réacteurs modulaires (RSM) qui s'appuient sur la technologie de l'eau lourde.Des concepts tels que le CANDU 6 (EC6) amélioré et divers modèles de RSM en cours d'élaboration au Canada et à l'étranger conservent le principe fondamental du ravitaillement en énergie et de la capacité d'uranium naturel, mais intègrent des systèmes de sécurité passive modernes, des générateurs de vapeur compacts et des caractéristiques de conception pour la mise en service. La EC6, par exemple, vise une durée de vie de 60 ans avec une combustion de conception allant jusqu'à 8 500 MWd/tU], en utilisant des faisceaux d'uranium naturel standard et la flexibilité pour adopter CANFLEX et SEU sans modification d'autorisation.

Incidences économiques et environnementales

L'augmentation de la consommation d'uranium produit plus d'électricité, ce qui réduit les impacts de l'extraction et de la fraisure d'uranium en amont par mégawatt-heure. Selon la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN)[, les émissions de gaz à effet de serre de l'électricité nucléaire sont déjà parmi les plus faibles de toutes les sources de production disponibles, soit environ 4 à 6 grammes de CO2-équivalent par kilowatt-heure— et l'utilisation améliorée du combustible peut être réduite aux composantes de l'exploitation minière et du transport de cette quantité.

Sur le plan économique, la capacité d'étirer les ressources en combustible réduit le coût variable de la production et protège les exploitants de la volatilité des prix au comptant de l'uranium. Pour les pays qui importent de l'uranium, une augmentation de 10 % de la consommation moyenne de carburant se traduit par une réduction de 10 % des achats annuels de carburant frais, ce qui permet d'économiser des millions de dollars par année-réacteur. Le déploiement des cycles DUPIC ou MOX découplerait davantage les coûts de combustible de l'extraction de l'uranium vierge, ce qui offrirait un profil économique plus stable.

Collaboration internationale et progrès de la réglementation

La CCSN a établi un cadre d'autorisation pour les formes de combustible de pointe et les enveloppes de combustion plus élevées, en effectuant des examens de sécurité qui englobent les opérations normales, les conditions transitoires et les accidents graves. Des projets de collaboration par l'entremise du Programme de recherche coordonné (CRP) de l'AIEA sur la performance des carburants PHWR offrent une tribune pour partager des données sur l'irradiation entre les exploitants canadiens, l'Argentine, la Chine, l'Inde, le Pakistan, la Roumanie et la Corée du Sud. Ces efforts conjoints ont permis de produire des bases de données à accès ouvert sur les mécanismes de défaut de combustible, l'interaction entre les combustibles et les gaz de fission, d'accélérer la qualification des nouveaux combustibles sans exiger de chaque pays qu'il y ait à nouveau des essais complets coûteux.

Les normes élaborées par le Groupe CSA[ pour la conception et la fabrication des combustibles (comme les séries CSA N285.0 et N287) sont mises à jour pour intégrer des limites de combustion plus élevées et des matériaux de revêtement avancés, s'assurant que les prévisions de codes demeurent prudentes et que le cas de sûreté est fondé sur des données expérimentales solides. L'alignement des cadres réglementaires entre les États membres de la communauté CANDU devrait raccourcir le délai de commercialisation des concepts de FTA et des cycles fondés sur les MOX. De plus, l'Agence de l'énergie nucléaire (AEN) a facilité plusieurs exercices d'analyse comparative qui comparent les codes informatiques pour la performance des combustibles CANDU, renforçant la confiance dans les capacités prédictives nécessaires pour l'octroi de licences à forte combustion.

Surmonter les défis restants

Bien que la trajectoire soit prometteuse, plusieurs obstacles techniques et économiques subsistent. L'exposition prolongée à des flux de neutrons élevés et à une chimie du liquide de refroidissement agressif peut accélérer la corrosion par revêtement et la récupération d'hydrogène, ce qui pourrait limiter le plafond pratique de combustion à moins que de nouveaux alliages ou revêtements ne soient déployés. L'échelle de production des faisceaux CANFLEX et ATF exige des investissements dans les installations de fabrication et l'infrastructure de vérification de la qualité. De plus, l'adoption commerciale du combustible DUPIC repose sur la démonstration d'une installation de fabrication à distance entièrement autorisée et résistante à la prolifération, une entreprise de plusieurs milliards de dollars qu'aucun exploitant ne peut financer seul.

La capacité d'extraction de l'énergie propre de chaque kilogramme d'uranium ne augmentera que de façon significative. L'évolution continue de la technologie du combustible CANDU témoigne de la valeur de l'innovation progressive fondée sur une solide fondation scientifique.