Bien que les conceptions novatrices de réacteurs de pointe soient des titres d'honneur, une technologie éprouvée, dotée d'avantages uniques, gagne en traction entre les décideurs et les services publics : le réacteur CANDU. Alors que les pays poursuivent des objectifs nets nuls, la question n'est pas de savoir si le nucléaire a un avenir, mais quelles technologies peuvent offrir un mélange approprié de fiabilité de la charge de base, de flexibilité du combustible et de sécurité pour compléter les énergies renouvelables intermittentes et remplacer les combustibles fossiles. Le système CANDU, un système d'eau lourde pressurisée originaire du Canada, offre des réponses convaincantes.

Qu'est-ce que les réacteurs CANDU?

Contrairement aux réacteurs à eau légère (REL) qui nécessitent de l'uranium enrichi, un réacteur CANDU peut maintenir une réaction en chaîne avec de l'uranium naturel non enrichi, ce qui est possible parce que l'eau lourde absorbe moins de neutrons que l'eau ordinaire, en conservant suffisamment de neutrons pour maintenir la réaction avec la teneur en uranium naturel plus faible. La conception originale a été élaborée dans les années 1950 et 1960 par Énergie atomique du Canada limitée (EACL) et a d'abord été démontrée à la centrale nucléaire de Douglas Point en Ontario. Depuis, la technologie a été affinée par des générations successives installées à Pickering, Bruce et Darlington, ainsi que par des sites d'exportation en Argentine, en Roumanie, en Chine, en Corée du Sud, en Inde et au Pakistan.

Le réacteur CANDU a une caractéristique physique caractéristique : son arrangement horizontal de tubes à pression. Le noyau n'est pas un énorme récipient à pression, mais un récipient à basse pression contenant des centaines de tubes horizontaux par lesquels circule le liquide de refroidissement pressurisé à eau lourde. Les faisceaux de combustible, courts et compacts, résident à l'intérieur de ces tubes et peuvent être remplacés pendant que le réacteur reste à pleine puissance. Cette capacité de ravitaillement en énergie, combinée à l'utilisation d'uranium naturel, donne à l'usine un facteur de capacité extraordinairement élevé et élimine la nécessité d'arrêter périodiquement les moteurs uniquement pour le chargement.

La production d'oxyde de deutérium est une source d'énergie et constitue une fraction notable du coût initial de l'usine. Un réacteur typique de 700 MWe Candu-6 nécessite environ 500 tonnes d'eau lourde, d'une valeur de plusieurs centaines de millions de dollars. Cependant, une fois commandé, une unité CANDU fonctionne avec des marges de stabilité et de sûreté remarquables, grâce à des caractéristiques de conception inhérentes telles qu'un coefficient de rétroaction de réactivité négatif. À mesure que la température du cœur augmente, l'eau lourde augmente et perd une partie de son efficacité modératrice, amortissant automatiquement la réaction de la chaîne.

Principaux avantages de la technologie CANDU

Les choix de conception de CANDU se traduisent par un ensemble d'avantages opérationnels et stratégiques particulièrement attrayants dans un paysage énergétique décarbonisé.

Flexibilité du carburant

Les réacteurs CANDU peuvent accepter un large éventail de matières fissiles sans modifications matérielles majeures. Les exploitants ont testé avec succès de l'uranium légèrement enrichi (UEN), récupéré de l'uranium provenant du retraitement, des combustibles à base de thorium et même du combustible mixte à base d'oxyde provenant d'armes nucléaires déclassées. Cet agnostic du combustible permet à un pays d'adapter son cycle de combustible aux ressources nationales ou aux partenariats stratégiques, réduisant ainsi la dépendance à l'égard des installations d'enrichissement et isolant la centrale de la volatilité du marché de l'uranium.

Sécurité inhérente et continuité opérationnelle

La sécurité de l'énergie nucléaire est fonction des systèmes techniques et de la physique fondamentale. Le CANDU bénéficie de plusieurs attributs de sécurité passive. Le coefficient de vide négatif signifie que si le liquide de refroidissement devait bouillir ou être perdu, la réduction de la modération qui en résulterait amortirait automatiquement la réaction sans intervention humaine. Les tubes de pression horizontaux sont logés dans un grand volume d'eau lourde fraîche dans la calandre, ce qui fournit un puits de chaleur robuste. Parce que la densité de puissance du cœur est inférieure à celle d'un réacteur à eau sous pression, l'élimination de la chaleur pendant une perturbation est gérable. Ces caractéristiques, combinées à deux systèmes d'arrêt à action rapide indépendants et diversifiés, ont amené les régulateurs à approuver des extensions d'exploitation à long terme.

Petite polyvalence modulaire

Bien que les unités CANDU traditionnelles varient de 600 à 900 MWe, les ingénieurs ont perfectionné un modèle de petit réacteur modulaire CANDU (SMR) qui générerait environ 300 MWe (ou moins) tout en préservant les principaux avantages : la modération de l'eau lourde, les canaux de combustible horizontaux et le ravitaillement en énergie. Une telle unité pourrait être construite en modules dans une installation de fabrication, transportée sur place et installée rapidement. Les versions SMR pourraient servir de réseaux plus petits, de collectivités éloignées ou de parcs industriels nécessitant une chaleur et une énergie fiables. Le programme des Laboratoires Nucléaires Canadiens souligne comment les concepts de CANDU sont évalués en même temps que d'autres technologies pour accélérer le déploiement d'une énergie propre et expéditable.

Facteur de haute capacité et capacité de suivi de charge

Les réacteurs CANDU peuvent maintenir un facteur de capacité moyen supérieur à 85 % sur plusieurs décennies grâce au ravitaillement en puissance et à une conception robuste. Les opérateurs peuvent effectuer des ajustements de niveau de charge et des systèmes de contournement de turbines, ce qui permet aux centrales CANDU de faire monter ou diminuer la production en réponse aux exigences du réseau ou aux signaux de prix.

Performance et succès de la flotte mondiale

Les centrales canadiennes de Bruce Power et de Ontario Power Generation se classent toujours parmi les centrales nucléaires de plus grande capacité au monde. Les centrales de Bruce A et B ont atteint des taux de capacité supérieurs à 85 % et ont subi de vastes rénovations pour prolonger leur durée de vie opérationnelle jusqu'aux années 2060 et au-delà. La rénovation de Darlington, qui consiste à remplacer les tubes de pression et les canaux de combustible des quatre unités, est en voie d'être réalisée et offre un modèle de prolongation de la durée de vie nucléaire à grande échelle. L'Embalse CANDU de l'Argentine a été rénovée avec succès en 2019, ajoutant 30 ans de vie opérationnelle. L'usine de Cernavoda de Roumanie, avec deux unités CANDU-6 en exploitation, a avancé ses plans pour compléter deux unités supplémentaires. Ces rénovations démontrent que la technologie CANDU peut être améliorée de façon sécuritaire et économique, offrant une voie plus rapide vers une énergie propre que de nouveaux bâtiments.

Le rôle des réacteurs CANDU dans un système énergétique décarboné

Les objectifs climatiques exigent que les réseaux électriques éliminent la production à forte intensité de carbone tout en maintenant la fiabilité. L'énergie éolienne et solaire fournissent une part croissante de l'électricité, mais leur variabilité crée un besoin de capacité de faible intensité de carbone qui peut être expédiée et qui peut être utilisée lorsque le soleil se couche et le vent se calme.

Au-delà de l'électricité, les réacteurs CANDU peuvent fournir de la chaleur à haute température pour les réseaux de chauffage urbain, les procédés industriels et la production d'hydrogène. La cogénération peut améliorer considérablement l'efficacité énergétique globale. À mesure que la demande d'hydrogène augmente pour des secteurs difficiles à électrifier comme l'acier, la production d'ammoniac et les transports lourds, l'hydrogène rose produit par le nucléaire pourrait devenir la pierre angulaire d'une économie à faible intensité de carbone.

La souplesse d'implantation des réacteurs CANDU, en particulier les plus petits, les rend attrayants pour la réfection des centrales à combustibles fossiles à la retraite.De nombreux sites de centrales à charbon disposent déjà d'une solide interconnexion de transmission, d'un accès à l'eau et d'une main-d'oeuvre qualifiée.

Défis liés au déploiement du CANDU

Malgré ses caractéristiques, la technologie CANDU n'est pas sans défis.Le principal obstacle est le coût initial des immobilisations.Une grande usine CANDU traditionnelle nécessite des investissements considérables dans les stocks d'eau lourde, les tubes de pression spécialisés et les machines de ravitaillement en électricité.Bien que les coûts du cycle de vie soient concurrentiels, obtenir le financement d'un projet de plusieurs milliards de dollars exige un solide soutien politique et des cadres réglementaires stables.

La perception du public demeure un sujet sensible. Des décennies d'accidents nucléaires de grande envergure, même si aucune technologie CANDU n'a été mise en oeuvre, ont laissé des segments de la population méfiant de toute nouvelle construction nucléaire. La communication transparente, l'engagement communautaire solide et des dossiers de sécurité démontrables sont essentiels pour obtenir une licence sociale. La production d'eau lourde crée du tritium, un isotope radioactif de l'hydrogène qui doit être soigneusement géré et stocké ou, dans certains cas, commercialisé pour des applications médicales et industrielles.

Les grands réacteurs à eau légère de Westinghouse, de Framatome et d'autres, ainsi que la prolifération des concepts de RSM, sont une source de concurrence. CANDU doit se distinguer techniquement et commercialement. La normalisation, la fabrication en usine et la rationalisation des licences de RSM de CANDU sont essentielles pour réduire les coûts et accélérer les cycles de déploiement. Le Plan d'action pour les petits réacteurs modulaires du gouvernement canadien fournit un cadre stratégique qui encourage l'innovation et la collaboration entre les fournisseurs, les services publics et les organismes de réglementation, y compris explicitement les conceptions de CANDU.

Innovations technologiques et voie à suivre

Au-delà du concept de RSM, les ingénieurs intègrent des systèmes numériques d'instrumentation et de commande avancés qui améliorent la surveillance des réacteurs, la maintenance prédictive et l'exploitation autonome. La prochaine génération de réacteurs CANDU peut intégrer des boucles de refroidissement passives qui dépendent de la circulation naturelle plutôt que des pompes actives, augmentant les marges de sécurité pendant les pannes de courant.Les cycles de combustible avancés passent de laboratoire à pilote : les combustibles hybrides thorium-plutonium, par exemple, pourraient être testés dans les réacteurs CANDU existants dans le cadre de partenariats internationaux, ouvrant potentiellement une ressource combustible pratiquement inépuisable.

Les projets de rénovation sont eux-mêmes des bancs d'essai d'innovation.Le retubage complet d'un réacteur CANDU – en remplacement de tous les tubes à pression et tubes calandria – est une entreprise massive qui a donné lieu à de nouveaux outils robotiques, à des techniques de soudage de précision et à des approches de gestion de projet.Les leçons tirées des programmes d'extension de vie de Bruce Power et Ontario Power Generation informent la conception de nouveaux projets de construction, rendant crédible la perspective d'une installation CANDU répétable.

Une orientation de recherche particulièrement prometteuse est le cycle du combustible DUPIC, qui permettrait à un réacteur CANDU d'utiliser directement des granulés de combustible usé provenant d'un réacteur à eau pressurisée après traitement thermique et mécanique, sans séparer le plutonium.Cette approche réduit le risque de prolifération et réduit le volume global de déchets de haute activité.Bien que le DUPIC fasse face à des obstacles techniques et réglementaires, son déploiement réussi changerait les aspects économiques de la gestion des déchets nucléaires, transformant une responsabilité coûteuse en combustible secondaire précieux.

Adoption mondiale et potentiel du marché

Au Canada, les programmes de prolongation de vie des stations Bruce et Darlington assurent une capacité de production de faible émission de carbone jusqu'en 2060, tandis que la station de Pickering de l'Ontario est en cours d'évaluation. L'usine de Cernavoda, qui abrite déjà deux unités CANDU, a élaboré des plans pour compléter deux autres unités, avec l'aide d'organismes de crédit à l'exportation nord-américains. Les unités CANDU de la phase III de Qinshan continuent d'être exploitées de façon fiable, et Beijing a exploré la possibilité de la technologie d'irradier les cibles du thorium pour son propre programme de réacteur avancé.

La Pologne étudie la RSM CANDU dans le cadre de son plan de remplacement des centrales au charbon. La Turquie et le Bangladesh ont exprimé leur intérêt pour la technologie de production de charge de base. Le programme de réacteurs à eau lourde sous pression autochtone de l'Inde, qui a vu le jour grâce aux premières collaborations de la CANDU, démontre l'évolutivité de la conception pour les pays visant à renforcer la capacité industrielle nucléaire nationale.

Comme les pays incluent le nucléaire dans leurs contributions déterminées au niveau national en vertu de l'Accord de Paris, la demande de technologie de réacteur éprouvée et flexible augmentera probablement. Le bilan exceptionnel de sûreté de CANDU – aucun incident grave de dommages causés au combustible dans l'histoire de la flotte – constitue une base solide pour l'approbation de la réglementation dans le monde entier, y compris dans les pays qui construisent leurs premières centrales nucléaires.

Le paysage économique et politique

L'économie exige en fin de compte qu'une technologie prospère dans un secteur à forte intensité de capital comme la production d'électricité. Le coût de l'électricité normalisé de CANDU est concurrentiel avec d'autres sources à faible teneur en carbone lorsque la tarification du carbone est prise en compte. La taxe fédérale sur le carbone et les mécanismes semblables du Canada ailleurs améliorent directement la rentabilité du nucléaire en pénalisant les concurrents des combustibles fossiles.

Les coûts de production d'eau lourde demeurent un élément critique, mais la construction modulaire et les progrès dans l'extraction du deutérium pourraient réduire ce fardeau.Des conceptions normalisées – qu'il s'agisse d'un réacteur CANDU à grande échelle ou d'un réacteur SMR de 300 MWe – permettraient la fabrication en série, en déployant les mêmes économies d'apprentissage que celles observées dans les aéronefs ou la construction navale.

Le Plan d'action du Canada en matière de RSM mentionne explicitement les concepts de réacteurs à eau lourde et s'engage à collaborer au développement de la réglementation, de la recherche et de la chaîne d'approvisionnement. La feuille de route nucléaire du Royaume-Uni comprend l'évaluation de la RSM CANDU pour son programme modulaire avancé de réacteurs. L'Estonie et la Pologne examinent les options en matière d'eau lourde.

Un avenir construit sur des forces éprouvées

La trajectoire des réacteurs CANDU dans un monde décarbonisé semble de plus en plus façonnée par un mélange de fiabilité et d'innovations émergentes. Les unités existantes, avec des opérations de poussée de durée de vie au milieu du siècle, continueront de fournir des gigawatts d'énergie sans carbone, achetant du temps pour une décarbonisation plus profonde du chauffage et du transport.

La communauté CANDU – les services publics, les laboratoires nationaux, les fournisseurs de chaînes d'approvisionnement et les organismes de réglementation – doit travailler en écluse pour traduire les promesses techniques en projets concrets. L'octroi de licences normalisées, la modélisation transparente des coûts et le dialogue public continu détermineront si la technologie peut passer d'une icône canadienne à une solution mondiale à faible émission de carbone. Si les conditions du marché, les cadres stratégiques et l'acceptation sociale s'alignent, les réacteurs CANDU pourraient devenir la pierre angulaire d'un portefeuille d'énergie diversifié, résilient et véritablement propre pour le XXIe siècle et au-delà.