Le prochain chapitre pour la technologie CANDU : Compact, modulaire et design

L'énergie nucléaire, longtemps reconnue comme une source de charge de base solide et à faible teneur en carbone, connaît une renaissance marquée en tant que décideurs et services publics qui se heurtent à l'intermittence du vent et de l'énergie solaire et aux coûts environnementaux des combustibles fossiles non abrupts. Au premier plan de ce changement, les petits réacteurs modulaires (RMR) sont passés de concepts théoriques à des réalités quasi-commerciales. Parmi les voies de RMR les plus techniquement convaincantes, on peut citer l'adaptation du réacteur CANDU (CANada Deuterium Uranium) en un système compact fabriqué en usine. Il ne s'agit pas simplement d'une réduction de la conception existante.

Le réacteur CANDU est issu du programme de recherche nucléaire du Canada et est exploité commercialement depuis des décennies en Ontario, au Québec, au Nouveau-Brunswick et dans plusieurs autres pays. Ses caractéristiques distinctives, soit le combustible naturel à l'uranium, la modération de l'eau lourde et une architecture de base de tubes de pression, le distinguent des réacteurs à eau légère qui dominent la flotte nucléaire mondiale.Ces caractéristiques, autrefois considérées comme des avantages de niche, s'harmonisent maintenant directement avec les priorités changeantes en matière de sécurité du combustible, de réduction des déchets et de résistance à la prolifération.

Pourquoi le design CANDU se tient à l'écart

Contrairement aux réacteurs à eau sous pression (REP) qui nécessitent de l'uranium enrichi, un réacteur CANDU utilise de l'eau lourde (oxyde de deutérium, D2O) comme modérateur et comme fluide de refroidissement. L'eau lourde absorbe beaucoup moins de neutrons que l'eau légère ordinaire, ce qui permet de maintenir une réaction en chaîne avec de l'uranium naturel contenant seulement 0,7 % de U-235.

Le noyau du réacteur est constitué de centaines de tubes de pression horizontaux traversant un grand réservoir appelé la calandre, qui maintient le modérateur d'eau lourde à basse pression.Cette disposition permet de réalimenter en puissance : des machines télécommandées insèrent et enlèvent des faisceaux de combustible pendant que le réacteur continue de produire de l'électricité à pleine puissance. L'impact opérationnel est important.

La sécurité est profondément ancrée dans l'architecture des tubes de pression. Dans un accident de perte de refroidissement touchant un seul canal, l'eau du modérateur environnant agit comme un grand puits de chaleur, absorbant la chaleur de décomposition et ralentissant la progression de l'événement. La géométrie du noyau résiste intrinsèquement aux scénarios de fusion qui dominent la planification d'urgence pour les grands réacteurs de navigation sous pression.

Petits réacteurs modulaires : un nouveau modèle de déploiement

Les RMS sont définis par leur production électrique, généralement jusqu'à 300 MWe, et par leur conception pour la fabrication d'usines et l'assemblage modulaire. Cette approche modifie fondamentalement l'économie et la logistique du déploiement nucléaire. Au lieu de construire une usine à l'échelle de gigawatt sur une décennie, un projet RMS implique la fabrication de composants normalisés dans un environnement industriel contrôlé, les transportant vers un site préparé, et les assemblant dans une fraction du temps. Les avantages sont bien documentés et convaincants:

  • Risque financier faible :[ Un engagement de capital initial plus faible rend l'énergie nucléaire accessible à un plus grand nombre de services publics, d'opérateurs industriels et de partenariats public-privé.
  • Qualité et répétabilité:[ La fabrication en usine permet le soudage de précision, une inspection rigoureuse et un contrôle de qualité cohérent qui sont difficiles à réaliser sur un chantier de construction.
  • Horaires accélérés:[ La préparation parallèle du site et la fabrication de modules peuvent comprimer le délai de l'ordre à l'exploitation commerciale à trois ou quatre ans.
  • Support de service :[ Des zones de planification d'urgence réduites permettent de localiser des RMS à proximité d'installations industrielles, de collectivités éloignées ou de réseaux restreints où de grands réacteurs ne seraient pas réalisables.
  • Capacité évolutive:[ Une usine peut commencer par un seul module et ajouter des unités à mesure que la demande augmente, en appariement à l'investissement réel de la croissance de la charge.

La plupart des conceptions de RMS en cours d'élaboration sont basées sur la technologie PWR à échelle réduite. Cependant, un RMS de type CANDU offre un ensemble distinct de capacités qui répondent à des besoins spécifiques du marché, en particulier pour les pays qui cherchent à obtenir l'indépendance du carburant et pour les applications nécessitant une chaleur à haute température ou des cycles de carburant flexibles.

Ingénierie du RMR CANDU : innovations clés

Le CANDU SMR n'est pas un Darlington miniature. Il représente une refonte complète qui conserve le tube de pression, l'eau lourde et modérée, tout en intégrant des systèmes de sûreté passive modernes, des techniques de fabrication avancées et d'autres options de combustible. Des organisations, dont Laboratoires nucléaires canadiens (LNC), des groupes de recherche universitaires et des entreprises du secteur privé, ont élaboré des concepts visant les extrants de la gamme 100 à 300 MWe.

Ces concepts utilisent généralement de l'uranium légèrement enrichi (UEU) à 1 à 2 % U-235, un modeste pas d'enrichissement beaucoup plus simple et moins cher que les 5 % requis pour les réacteurs à eau légère. Le bénéfice est important : le combustible de l'UUE double la combustion – l'énergie extraite par unité de combustible – qui réduit de moitié le volume de combustible usé par mégawattheure et réduit la taille du cœur et de l'eau lourde.

Sécurité passive : Protection contre les passages en marche

Les progrès les plus importants dans les conceptions CANDU SMR sont l'intégration de systèmes de sécurité entièrement passifs qui ne nécessitent aucune action de l'opérateur, aucune puissance AC, et aucune pompe active pour maintenir des conditions de sécurité.

Les principales caractéristiques passives comprennent la circulation naturelle pour l'élimination de la chaleur en décomposition, les grands tampons thermiques dans l'inventaire de l'eau lourde, le refroidissement par cœur d'urgence par gravité et le refroidissement passif par confinement par convection naturelle de l'air et l'évaporation de l'eau. Ensemble, ces systèmes garantissent que même une panne totale de station sans intervention de l'opérateur ne causerait pas de dommages au carburant.

Flexibilité du cycle du combustible: de l'UES au thorium

La capacité de la plateforme CANDU à accepter une large gamme de compositions de combustible sans remaniement majeur constitue son plus grand atout stratégique. Un SMR CANDU peut fonctionner sur de l'uranium naturel, de l'EVP, de l'uranium récupéré à partir de combustibles LWR retraités ou de combustibles à base de thorium.

Le thorium est particulièrement convaincant. Le thorium est trois à quatre fois plus abondant que l'uranium et, lorsqu'il est irradié, il produit de l'uranium 235. Les recherches menées par la CNL et appuyées par Ressources naturelles Canada indiquent qu'un RSM CANDU pourrait réaliser un cycle de combustible thorium autosuffisant grâce à des conceptions novatrices de faisceaux et à la capacité de ravitaillement en énergie unique du réacteur.Ce dernier est presque exclusif aux réacteurs à tubes sous pression, car les exploitants peuvent ajuster la gestion du combustible en temps réel pour optimiser la reproduction.

Construction modulaire et assemblage

L'approche modulaire s'étend au-delà du cœur du réacteur. Les générateurs de vapeur, pressurisateurs et pompes peuvent être intégrés dans des patins compacts, réduisant ainsi le besoin de soudures complexes sur le terrain et de nombreux parcours de tuyauterie.

Pour les endroits éloignés, comme les activités minières dans le Nord du Canada, les collectivités hors réseau ou les sites industriels dans les pays en développement, ce modèle de déploiement en mode « plug-and-play » réduit le besoin d'un effectif spécialisé de construction sur place pendant de longues périodes. La qualité s'améliore parce que les conditions d'usine permettent un alignement de précision et un examen non destructif qui sont inaccessibles dans la construction en plein air.

Applications pour l'énergie hybride et la cogénération

Les RMR CANDU produisent de la chaleur à haute température qui peut servir à des applications autres que la production d'électricité. Une seule unité peut fournir de la vapeur pour les procédés industriels – production d'hydrogène, extraction de sables bitumineux, raffinage pétrochimique ou chauffage urbain – tout en alimentant le réseau électrique.

L'utilisation de l'électricité et de l'énergie thermique pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène, en obtenant un rendement de conversion plus élevé que l'électrolyse à basse température. Un approvisionnement régulier en chaleur nucléaire permet une production d'hydrogène à émissions nulles à un coût concurrentiel, favorisant la décarbonisation de la fabrication d'acier, la production d'ammoniac et le transport lourd.

Forces comparées contre les RMR de l'eau légère

Les RMS à eau légère de fournisseurs comme NuScale, GE Hitachi et Rolls-Royce progressent par le biais de phases de licence et de démonstration. La RMS CANDU occupe une niche complémentaire avec des avantages distincts qui la rendent particulièrement attrayante pour certains marchés et contextes stratégiques :

  • Souverainité du combustible:[ La capacité d'exploiter de l'uranium naturel ou légèrement enrichi élimine la dépendance à l'égard des installations d'enrichissement soumises à des garanties internationales et à des contraintes géopolitiques.
  • Adaptabilité du cycle de combustible:[ Le noyau peut passer de l'uranium naturel à l'uranium SEU au thorium sans remodeler de façon coûteuse, permettant aux exploitants de réagir à l'évolution des marchés du combustible et aux priorités politiques au cours de la vie du réacteur.
  • Réapprovisionnement en carburant:[ La capacité de ravitaillement en plein courant élimine les pannes de carburant, ce qui permet des facteurs de capacité dépassant 95 % et simplifie la gestion du réseau, en particulier dans les systèmes à forte pénétration renouvelable.
  • La réduction des déchets :[ Une efficacité thermique accrue combinée à des cycles de combustible avancés produit moins de combustible usé par gigawatt-heure produite, réduisant ainsi l'empreinte de la gestion des déchets à long terme.
  • Établissement de la chaîne d'approvisionnement :[ Le Canada possède une chaîne d'approvisionnement CANDU intégrée couvrant la fabrication de combustibles, la production d'eau lourde et la fabrication de composants, ce qui réduit le risque technologique et l'incertitude de livraison par rapport aux concepts entièrement nouveaux de réacteur.

Ces forces ne signifient pas que les RMR CANDU vont déplacer les conceptions d'eau légère, mais offrent plutôt une solution adaptée aux pays qui ont des contraintes de ressources particulières, des besoins en chaleur industrielle ou des préférences stratégiques pour l'autosuffisance énergétique.

Obstacles au déploiement et voies à suivre

Malgré sa promesse, l'introduction d'un RMS CANDU sur le marché exige de surmonter de véritables défis.Le plus immédiat est le coût et la durée de l'autorisation.Une nouvelle conception de réacteur doit être soumise à un examen rigoureux par des organismes de réglementation comme la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN)[.

Bien que le volume d'eau lourde par mégawatt diminue avec le combustible de l'UES, le coût unitaire demeure important. Les progrès dans les technologies de production d'eau lourde, y compris les systèmes d'enlèvement et de récupération du tritium plus efficaces, sont nécessaires pour rendre le coût d'inventaire concurrentiel par rapport aux autres réfrigérants. L'acceptation par le public est une autre dimension. L'industrie nucléaire doit communiquer clairement et uniformément le cas de sûreté, en soulignant la protection inhérente intégrée dans le RMR CANDU et son rôle potentiel dans l'atteinte des objectifs climatiques.

Du point de vue technique, les programmes de recherche portent sur les questions suivantes : qualification des modèles avancés de faisceaux de carburant dans des conditions d'accident, validation des modèles de calcul pour la circulation naturelle dans des géométries compactes et performance à long terme des matériaux sous une forte fluence neutronique et des températures élevées.

Calendrier de commercialisation et collaboration internationale

Un cheminement réaliste suggère qu'un RMS CANDU premier en soi pourrait être exploité commercialement d'ici le milieu des années 2030, en supposant un partenariat gouvernemental-industriel ciblé et un processus de réglementation simplifié.Le Plan d'action du Canada , publié en 2020 avec des mises à jour ultérieures, identifie l'évolution du RMS CANDU comme un pilier technologique national.

Les pays qui ont déjà évalué le projet CANDU, comme le Royaume-Uni et la Jordanie, représentent également des collaborateurs potentiels. Un programme de développement multilatéral pourrait partager le fardeau financier et accélérer l'octroi de licences en établissant une conception générique normalisée que plusieurs organismes de réglementation peuvent examiner en parallèle.

Le rôle stratégique dans un système d'énergie zéro

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) et l'Agence internationale de l'énergie (AIE) montrent systématiquement que pour parvenir à des émissions nettes nulles d'ici 2050, il faudra accroître sensiblement la capacité nucléaire. Les grands réacteurs continueront d'ancrer les réseaux urbains, mais un parc parallèle de RSM sera essentiel pour décarboner les secteurs que les grandes centrales nucléaires ne peuvent atteindre de façon rentable : les collectivités éloignées qui dépendent de la production de diesel, des activités minières et industrielles dans les régions isolées, et les grappes d'industrie lourde qui nécessitent à la fois de l'électricité et de la chaleur à haute température.

Les RMR CANDU offrent une voie de décarbonisation aux pays qui n'ont pas de capacités d'enrichissement et qui préfèrent ne pas les développer. La capacité d'exploiter de l'uranium naturel ou légèrement enrichi sans construire d'infrastructures sensibles pour le cycle du combustible constitue un véritable avantage pour les pays qui cherchent à assurer la sécurité énergétique parallèlement à la réduction des émissions.

La compatibilité des RMR CANDU avec le chauffage urbain et la production d'hydrogène permet de contribuer à la décarbonisation du secteur de la chaleur, qui représente environ la moitié de la consommation énergétique finale mondiale. Un groupe de RMR CANDU près d'un grand centre urbain pourrait fournir de l'électricité et de l'eau chaude pour le chauffage des locaux, remplacer les chaudières au gaz naturel et réduire considérablement les émissions de carbone en milieu urbain.

Conclusion

Le réacteur CANDU est réinventé pour une nouvelle ère. En combinant l'architecture éprouvée des tubes de pression avec la sécurité passive moderne, la fabrication en usine et la flexibilité du cycle du combustible, le CANDU SMR représente une évolution naturelle d'une technologie qui fournit de l'électricité fiable et à faible teneur en carbone depuis des décennies.

La commercialisation exige un engagement politique soutenu, des investissements stratégiques dans la recherche et les essais, et une collaboration internationale solide.Mais la récompense potentielle – une source d'énergie propre, sûre et souveraine capable de alimenter les industries, les collectivités éloignées et les économies d'hydrogène – est un objectif digne d'effort collectif.