Principes de conception durable des réacteurs CANDU

Développé par Énergie atomique du Canada limitée dans les années 1950 et 1960, le réacteur CANDU représente une philosophie distincte en matière d'ingénierie de la fission nucléaire.Le choix déterminant est l'utilisation de l'eau lourde (oxyde de deutérium, D2O) à la fois comme modérateur et comme fluide de refroidissement.Cela fournit une économie exceptionnelle de neutrons qui permet au noyau de maintenir une réaction en chaîne contrôlée à l'aide de combustible naturel à l'uranium – contenant seulement 0,71 % d'uranium fissile 235.

La conception CANDU utilise une configuration horizontale de tubes de pression. Un grand réservoir cylindrique à basse pression appelé la calandre tient le modérateur d'eau lourde. Il fait fonctionner des centaines de tubes de pression horizontaux, chacun contenant 12 faisceaux de carburant courts. Le liquide de refroidissement (eau lourde à haute pression) traverse ces tubes, transférant la chaleur du combustible. Le modérateur de la calandre reste à une pression atmosphérique proche et à une température relativement basse, agissant comme un grand puits de chaleur. La séparation physique du liquide de refroidissement et du modérateur est une caractéristique de sécurité fondamentale : même si un tube de pression échoue et que le liquide de refroidissement est perdu, le modérateur peut absorber une chaleur de décomposition importante du combustible, empêchant la fusion du noyau.

Deux machines robotisées de ravitaillement, une à chaque extrémité d'un canal de combustible, insèrent simultanément des faisceaux frais à une face et repoussent les faisceaux dépensés à l'extrémité opposée, toutes à pleine puissance du réacteur. Cela élimine les longues pannes de ravitaillement que les réacteurs à eau légère exigent tous les 12 à 24 mois. Par conséquent, les unités CANDU atteignent systématiquement des facteurs de capacité à vie supérieurs à 80 %, souvent supérieurs à 90 % dans les stations à gestion de puits.

Chaque faisceau est un assemblage compact de 37 éléments combustibles en alliage de zirconium disposés en anneaux concentriques. La géométrie du faisceau et l'utilisation de l'uranium naturel font que le combustible est relativement faible – environ 7–8 MW·d/kg U, contre 40–50 MW·d/kg pour les réacteurs à eau légère. Cela conduit à plus de faisceaux de combustible usé par unité d'électricité produite, un point que nous reviendrons dans le contexte de la gestion des déchets.

La flotte mondiale CANDU : des rénovations et une pause dans de nouveaux bâtiments

Aujourd'hui, environ 30 réacteurs de type CANDU sont exploités dans sept pays. Le Canada et la Roumanie accueillent les plus grandes flottes, avec des unités supplémentaires en Chine, en Corée du Sud, en Argentine, au Pakistan et en Inde. Les 16 réacteurs à eau lourde pressurisés en Inde ne sont pas des exportations directes du Canada, mais partagent le même patrimoine de conception.

Le Canada exécute son programme de remise en état nucléaire le plus ambitieux de l'histoire. Ontario Power Generation (OPG) est en train de retravailler et de remanier complètement les quatre unités Darlington, un projet qui portera leur durée de vie d'exploitation autorisée à environ 2055-2065. Le travail remplace les composantes du noyau du réacteur : les 480 canaux de combustible, les tuyaux d'alimentation associés, les tubes de calandria et les systèmes de sûreté clés. Il s'agit en fait d'un réacteur reconstruit de l'intérieur. Le coût du projet est estimé à 12,8 milliards de dollars canadiens, une somme d'OPG justifie par des contrats d'électricité propre à long terme qui reconnaissent la valeur de base zéro carbone du nucléaire. Bruce Power poursuit un programme de prolongation de vie semblable pour son installation de huit unités, avec des travaux échelonnés sur plusieurs unités jusqu'aux années 2020 et 2030.

L'unité 1 a fait l'objet d'une rénovation achevée en 2019; l'unité 2 doit faire l'objet de travaux similaires dans les années 2020. La Roumanie évalue activement la construction des unités 3 et 4 avec des partenaires internationaux, projet qui a été discuté pendant des années mais qui reste tributaire du financement et de la volonté politique. Aucune construction entièrement écologique de CANDU n'a débuté depuis que l'unité 2 a commencé à fonctionner commercialement en 2007. Le marché mondial s'est principalement déplacé vers de grands réacteurs à eau légère (p. ex. AP1000, EPR, VVER-1200) et, de plus en plus, de petits réacteurs modulaires.

Fusion nucléaire : une promesse transformatrice avec une longue ligne de temps

La fusion nucléaire génère de l'énergie en fusionnant des noyaux atomiques légers, typiquement deutérium et tritium, dans l'hélium, en dégageant de l'énergie par conversion de masse. La recréation des conditions du noyau solaire nécessite la confinement du plasma d'hydrogène à des températures supérieures à 100 millions de degrés Celsius. L'approche principale est le confinement magnétique dans un tokamak, un récipient en forme de donuts utilisant de puissants champs magnétiques. Le projet international ITER, en construction à Cadarache, en France, est l'expérience phare. ITER est conçu pour produire 500 MW de puissance de fusion thermique à partir de 50 MW de chauffage d'entrée, ce qui permet d'obtenir une valeur Q de 10—un gain énergétique net.

Parallèlement à ITER, un nombre croissant d'entreprises privées poursuivent des projets plus compacts. Commonwealth Fusion Systems (CFS) construit SPARC, un tokamak utilisant des aimants supraconducteurs à haute température (HTS) pour atteindre un champ magnétique beaucoup plus élevé, permettant un dispositif plus petit et moins cher. SPARC cible Q>2 et, si elle réussit, CFS prévoit une usine pilote commerciale de suivi appelée ARC dans les années 2030. TAE Technologies utilise une configuration inversée sur le terrain, tandis que Tokamak Energy et General Fusion explorent des tokamaks sphériques et la fusion magnétisée de cibles. Ces feuilles de route privées sont agressives, mais il reste de grands obstacles techniques : les matériaux doivent survivre à un bombardement intense 14 MeV neutronien; un système de couverture de reproduction du tritium qui atteint l'autosuffisance (rapport de reproduction du tritium >1,1) doit être démontré; et l'échappement de puissance (manipulation du flux de chaleur du plasma, qui est des ordres de grandeur plus élevés que dans un noyau de fission) doit être résolu.

Le chevauchement critique : les opérations CANDU et l'arrivée de la fusion

La question stratégique centrale est simple : la fusion arrivera-t-elle assez tôt pour déplacer les réacteurs CANDU? La réponse dépend de la géographie et de la composition du réseau. Les unités CANDU canadiennes en cours de prolongation de leur durée de vie sont autorisées à fonctionner jusqu'aux environs de 2055-2065. Si les premières usines de fusion commerciale atteignent le réseau au début des années 2040 – une projection optimiste – elles seront d'abord des unités de première nature à coût élevé produisant de petites quantités d'énergie, probablement appuyées par des exigences de tarification du carbone ou d'électricité propre plutôt que de concurrencer l'économie du marché brut.

Même si la fusion est accélérée, les 25 prochaines années verront les usines de fission existantes demeurer l'épine dorsale de l'énergie à faible charge de carbone dans les provinces qui les hébergent. La fusion viendra en premier lieu compléter, et non remplacer, la production de fission.Les deux technologies fournissent une énergie stable et non intermittente dont les réseaux modernes ont un besoin critique, car elles intègrent des parts plus élevées de sources d'énergie renouvelables variables.

L'infrastructure CANDU pourrait-elle soutenir une économie de fusion?

Au lieu de devenir des actifs échoués, les éléments de l'infrastructure CANDU pourraient être réutilisés pour desservir une industrie de fusion en pleine croissance. Le lien immédiat le plus important est l'approvisionnement en tritium. Une centrale à fusion utilisant du combustible deutérium-tritium nécessite un inventaire initial du tritium. Bien que les réacteurs futurs soient conçus pour produire du tritium dans une couverture au lithium, la première génération d'usines de fusion – et tout manque de rendement opérationnel – aura besoin d'une source externe. Les réacteurs CANDU produisent naturellement du tritium comme sous-produit de la capture de neutrons dans le modérateur et le liquide de refroidissement de l'eau lourde.

Bien que la plupart des idées hybrides se concentrent sur les couvertures à spectre rapide ou à eau légère, la littérature universitaire a exploré la possibilité de relier une source de neutrons de fusion à une zone de fission modérée en eau lourde. La capacité du réseau CANDU à fonctionner avec du combustible naturel ou légèrement enrichi, combiné à ses options flexibles de cycle de combustible comme le thorium, en fait un candidat intéressant. En théorie, une source de fusion pourrait transmuter des actinides ou produire de l'U-233 du thorium, ce qui étend la valeur de l'infrastructure en eau lourde. Toutefois, ces concepts demeurent à un faible niveau de préparation technologique et font face à d'énormes obstacles techniques et réglementaires; ils ne risquent pas d'influencer les décisions à court terme du CANDU, mais pourraient façonner des programmes de recherche à longue distance au sein des Laboratoires nucléaires canadiens.

Sécurité, déchets et changement de récits publics

L'acceptation par le public a toujours influencé la politique nucléaire. L'énergie de fusion, avec ses caractéristiques de sûreté inhérentes (pas de réaction en chaîne de fuite, pas de déchets à haute concentration nécessitant une élimination géologique) et les déchets à longue durée de vie minimes (principalement des matériaux structuraux activés à demi-vies de décennies, et non des millénaires), est souvent conçue comme une rupture nette des risques perçus par la fission.

En ce qui concerne la gestion des déchets, les réacteurs CANDU produisent plus de combustible usé par unité d'électricité que les réacteurs à eau légère parce que le combustible naturel à uranium est moins brûlé. Une unité CANDU-6 de 700 MW(e) produit environ 2 400 faisceaux de combustible usé (environ 19 tonnes de métaux lourds) par année, comparativement à environ 30 tonnes pour un réacteur à eau légère équivalent. Le plan de gestion des déchets à long terme du Canada, dirigé par l'Organisation de gestion des déchets nucléaires, prévoit un dépôt géologique profond; la sélection des sites est prévue au milieu des années 20. Le profil des déchets de la fusion est plus simple, constitué principalement de matériaux structuraux activés qui peuvent être recyclés ou éliminés dans des installations près de la surface après la dégradation.

Un réseau perdant 15 GW de production nucléaire constante avant que la fusion ne soit prête ferait face à une expansion massive du gaz ou des énergies renouvelables, ce qui entraînerait des émissions et des coûts pour les consommateurs. Une stratégie responsable consiste à communiquer clairement l'inadéquation temporelle, à investir dans l'extension de la durée de vie du CANDU et à permettre à la fusion de se prouver commercialement avant de débrancher une seule installation de fission.

Politiques, économie et paysage concurrentiel

L'engagement du Canada à réduire les émissions nettes de zéro d'ici 2050 détermine l'environnement dans lequel opèrent les réacteurs CANDU. Les gouvernements fédéral et provinciaux considèrent que les actifs nucléaires existants sont indispensables pour atteindre les objectifs climatiques provisoires. La rénovation de Darlington est appuyée par un financement favorable et des contrats d'électricité propre à long terme qui reconnaissent la valeur d'un actif connu à faible teneur en carbone.

La Chine exploite deux réacteurs CANDU-6 à Qinshan, en utilisant l'expérience acquise pour faire progresser ses recherches plus vastes sur les eaux lourdes, tandis que son principal objectif nucléaire est le déploiement rapide des réacteurs à combustible de puissance légère, des réacteurs à combustible renouvelable et d'un programme de fusion national. L'Argentine rénove ses usines d'Atucha et d'Embalse, basées sur CANDU, en les considérant comme un horizon lointain. Dans tous les cas, les choix stratégiques sont façonnés par la sécurité nationale, les cycles de combustible autochtones et l'immédiateté des besoins en énergie propre, en reléguant le déplacement induit par la fusion à une considération stratégique à long terme.

Voies techniques pour étendre la pertinence du CANDU

Même dans un avenir où la fusion commence à fournir une puissance importante, des configurations CANDU avancées pourraient remplir des rôles précis. Des chercheurs canadiens ont étudié le réacteur CANDU avancé 1000 (ACR-1000), qui utilise de l'uranium légèrement enrichi (1,5 à 2 % U-235) et du liquide de refroidissement à eau légère tout en conservant un modérateur d'eau lourde.Cette conception réduit l'inventaire d'eau lourde et utilise un noyau compact avec 520 canaux de combustible, réduisant ainsi les coûts en capital.

Le cycle flexible du combustible de CANDU le rend également adapté pour la consommation de plutonium excédentaire ou de combustion d'actinides dans un scénario où les pays souhaitent réduire les stocks de matières fissiles. Un hybride fusion-fission, s'il arrive à maturité, pourrait probablement compter sur une couverture de fission sous-critique qui pourrait être basée sur des assemblages de spectre thermique d'eau lourde. Bien que spéculatif, cela souligne la valeur fondamentale de la plate-forme d'eau lourde : son économie de neutrons offre des options que les systèmes d'eau légère ne peuvent pas facilement reproduire.

Préserver le capital humain pour un avenir nucléaire

Les ingénieurs, les exploitants et les techniciens qualifiés qui exploitent et entretiennent aujourd'hui des réacteurs CANDU représentent un réservoir d'expérience opérationnelle, de connaissances en réglementation et de culture de sûreté qui sera inestimable à mesure que les nouvelles technologies nucléaires, y compris la fusion, se feront jour. Selon l'Association nucléaire canadienne, l'industrie emploie plus de 30 000 personnes directement et soutient des dizaines de milliers d'autres. Une partie importante de cette main-d'oeuvre approche de l'âge de la retraite; la perte de connaissances institutionnelles est un risque réel.

En revanche, une stratégie délibérée qui soutient les opérations du CANDU jusqu'en 2050 et au-delà garantit qu'à l'arrivée des usines de fusion, il y a une cohorte de professionnels prêts à les concevoir, à les construire et à les exploiter. La fusion ne sera pas construite dans le vide; elle exige la même culture rigoureuse de sûreté, l'expertise en sciences des matériaux et la discipline de gestion de projet qui ont été perfectionnées dans l'industrie de la fission. La flotte du CANDU peut servir d'incubateur de terrain et de technologie de formation, préservant les connaissances institutionnelles essentielles à la sûreté des réacteurs existants et au développement futur de la fusion.

Conclusion : Une transition gérée

L'avenir des réacteurs CANDU dans le contexte de la fusion n'est pas un choix binaire entre la fission et la fusion, mais une transition gérée qui s'étend sur plusieurs décennies. Les projets CANDU d'extension de la durée de vie sont des investissements solides qui assurent une puissance de base à faible teneur en carbone par le biais de la fenêtre critique lorsque la technologie de fusion est encore en voie de maturité.