Le moteur symbiotique de l'innovation nucléaire canadienne

Le Canada joue un rôle important dans le domaine de l'énergie nucléaire grâce à un partenariat multigénérationnel soutenu entre ses universités de recherche et les architectes du CANDU[® réacteur[. Le système canadien de l'uranium deutérium, réputé pour l'utilisation de l'uranium naturel et de l'eau lourde, est autant un triomphe de l'investigation universitaire que du génie industriel.

Depuis le réacteur jusqu'aux premiers neutrons de Chalk River jusqu'à la conception de modèles modernes de la génération III+ et au déploiement émergent de petits réacteurs modulaires , les laboratoires et les salles de classe universitaires canadiens ont été indissociables du cycle de vie du CANDU. La relation n'est pas seulement transactionnelle; c'est une boucle récursive où les défis industriels éclairent les questions de recherche universitaire, et les percées universitaires façonnent les normes réglementaires et les conceptions futures.

L'ère fondamentale : de Chalk River aux laboratoires de campus

La genèse de la technologie CANDU ne peut être comprise sans reconnaître le rôle central joué par les physiciens et les ingénieurs qui ont déplacé fluidement entre Énergie atomique du Canada limitée (AECL) et les universités canadiennes.Dans les années 1940 et 1950, le réacteur national de recherche expérimentale (NRX) et plus tard le réacteur national de recherche universelle (NRU) des Laboratoires de Chalk River ont fourni l'épine dorsale empirique.

Harold Smith, George Laurence et d'autres personnalités pionnières ont illustré cette pollinisation croisée. Leurs premiers travaux sur l'économie des neutrons et le contrôle des réacteurs ont été diffusés par le biais de conférences et de projets conjoints, en semenant des programmes de génie nucléaire à l'Université de Toronto, , [Queen=S University et McGill University[.Ces programmes ne se contentaient pas de compléter les efforts d'EACL; ils sont devenus des nœuds critiques où la rigueur théorique a été appliquée aux défis uniques de l'utilisation du combustible naturel à l'uranium et du ravitaillement en puissance.

Dans les années 1960, la première unité commerciale CANDU de Douglas Point était en ligne, et le rôle des universités s'était déjà consolidé en une triade de soutien : mener des recherches de faible capacité de préparation technologique (TRL), effectuer des évaluations indépendantes de sécurité et former le personnel de la station qui exploiterait la première flotte mondiale de réacteurs à eau lourde. Le succès de ce modèle est évident dans le fait que les mêmes universités continuent de fournir le fondement technique pour les projets de prolongation de la durée de vie à Bruce Power et Ontario Power Generation], maintenant plus de 60 ans plus tard.

Expertise technique approfondie : piliers de recherche de base

Physique du neutron et conception des réacteurs

Les universités canadiennes, en particulier l'Université de Toronto et l'Université du Nouveau-Brunswick, ont établi de puissants groupes de génie nucléaire qui ont élaboré et comparé des codes de physique des réseaux. Ces modèles simulent le comportement de milliards de neutrons en ralentissant, en diffusant et en générant de la puissance de fission. Les équipes universitaires ont joué un rôle déterminant dans le raffinage des codes de l'AECL-GIMS et ont ensuite lancé l'utilisation de méthodes de Monte Carlo en énergie continue pour valider les marges de sûreté des réacteurs.

Des études avancées du cycle du combustible, y compris le concept novateur de DUPIC (Utilisation directe du combustible PWR usé dans CANDU), sont nées d'une analyse universitaire.La capacité de brûler le combustible recyclé des réacteurs à eau légère dans les carottes CANDU sans retraitement repose sur des calculs universitaires précis de la composition du combustible, des coefficients de réactivité et de l'empoisonnement par les produits de fission.

Sciences des matériaux et performance en matière de combustible

L'intérieur d'un canal de combustible CANDU est un environnement punissant de flux de neutrons élevé, de liquide de refroidissement corrosif et de gradients de température extrêmes. Comprendre comment les tubes de pression en alliage de zirconium-niobium, les raccords en acier au carbone et les granulés de combustible à l'uranium-dioxyde d'uranium se comportent au fil des décennies est un défi scientifique qui est essentiel pour les matériaux.McGill UniversityS nucléaire a été un leader, utilisant des irradiations par faisceaux d'ions, la microscopie électronique et la tomographie par sonde d'atomes pour défaire la dynamique de la dislocation et les mécanismes de récupération de l'hydrogène qui entraînent une fissuration retardée de l'hydrure.

L'Université Queens a grandement contribué à la compréhension du comportement des éléments combustibles lors d'accidents de perte de refroidissement. Leurs plates-formes expérimentales ont simulé des conditions transitoires, permettant aux chercheurs de cartographier la réponse mécanique des gaines et le rejet de gaz de fission.Ces données expérimentales sont devenues la base de l'acceptation réglementaire de l'opération de combustion prolongée et du développement du groupe de combustible [CANFLEX , un modèle de 43 éléments qui améliore le transfert de chaleur et réduit les températures de pointe.

Analyse thermique-hydraulique et de sécurité

Un réacteur CANDU , un canal de combustible horizontal unique, crée des schémas complexes de débit en deux phases, soit la co-écoulement de vapeur et d'eau lourde, qui peuvent considérablement affecter le refroidissement lors d'un événement anormal. Institut de technologie de l'Ontario (Ontario Tech) et RMC Saint-Jean (maintenant sous RMC Kingston) ont construit des boucles thermiques-hydrauliques à échelle pour les interactions de débit d'en-tête à en-tête de modèle, la stratification des conduites d'alimentation et le début du flux thermique critique.

Les chercheurs universitaires ont également étudié les accidents graves, en modélisant le comportement du corium fondu en interaction avec l'eau du modérateur dans le bateau calandria.L'élaboration de stratégies de rétention du corium, un élément clé de la sécurité passive, a bénéficié des simulations de la dynamique des fluides informatiques qui sont réalisées sur des grappes informatiques de haute performance situées dans des universités canadiennes.En publiant les résultats dans des revues évaluées par des pairs, ils ont fourni la rigueur scientifique ouverte qui sous-tendait les arguments de la sécurité des réacteurs à l'échelle mondiale.

Un réseau de centres de nerfs nucléaires

Bien que de nombreuses institutions canadiennes y contribuent, plusieurs ont mis en place des capacités distinctes et reconnues à l'échelle internationale qui constituent l'épine dorsale de la R-D CANDU. Ensemble, elles forment plus de 90 % des ingénieurs et physiciens nucléaires du pays chaque année.

  • Université de Toronto (U de T)[ : Maisons l'un des plus anciens et des plus grands groupes de génie nucléaire au Canada. U de T a dirigé le développement du cycle du combustible DUPIC, des systèmes de codes de physique avancés des réacteurs et maintient un solide programme en physique de la santé et en détection des radiations. L'Institut universitaire d'études aérospatiales a également contribué à contenir l'analyse structurelle sous explosions de vapeur.
  • McMaster University[: Home to the McMaster Nuclear Reactor (MNR)[, un réacteur de recherche de 5 MWth de type pool. MNR est une ressource nationale unique en son genre pour la radiographie des neutrons, la production d'isotopes et l'irradiation des matériaux.
  • Université de la Saskatchewan : Bien que l'on ait toujours mis l'accent sur les isotopes médicaux par l'intermédiaire du synchrotron canadien de source lumineuse, son collège d'ingénieurs et le Centre canadien d'innovation nucléaire jouent un rôle croissant dans les études sur le déploiement des RMS et l'application de l'expertise issue du CANDU aux réacteurs de pointe.
  • Collège militaire royal du Canada (CMR)[ : Il offre des cours spécialisés sur la sûreté de la criticité nucléaire, la dynamique des réacteurs et les applications militaires de l'énergie nucléaire. Les diplômés servent souvent dans les Forces armées canadiennes (FC) pour la surveillance de la sûreté nucléaire, apportant ainsi des connaissances approfondies du CANDU à la sécurité nationale.
  • Ontario Tech University : Établi un programme de génie nucléaire à l'ère nouvelle avec un simulateur de pointe qui imite une salle de contrôle CANDU. Cette installation permet aux étudiants de pratiquer les procédures d'urgence, le fonctionnement à pleine puissance et la synchronisation de la grille, réduisant ainsi de façon spectaculaire le fardeau de formation des partenaires de l'industrie.

Éducation de la flotte : le développement de la main-d'oeuvre à l'échelle

Le plus grand résultat du partenariat université-CANDU est le personnel hautement qualifié. Avec les stations de Darlington et Pickering de Ontario Power Generation, et Bruce Power, les travaux de rénovation sont importants, la demande de ingénieurs nucléaires, de physiciens de la santé et de physiciens des réacteurs a augmenté. Les universités ont réagi en élargissant les programmes de premier cycle et de deuxième cycle, souvent en co-conception avec les conseils consultatifs de l'industrie.

Les étudiants qui ont suivi des stages rémunérés dans des centrales nucléaires, des laboratoires de la LNC ou la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN) []. Cette formation expérientielle permet de s'assurer que les diplômés ne possèdent pas simplement des connaissances théoriques, mais qu'ils ont effectué des plans de panne, étalonné des moniteurs de rayonnement et rédigé des sections d'analyse de sûreté. La transition sans heurt des projets de conception de capstone sur l'élimination de la chaleur par confinement des réacteurs à un emploi à temps plein comme agent technique de la station est une caractéristique de la résilience du secteur nucléaire canadien.

Au-delà du génie, les universités fournissent les professionnels des politiques et de la réglementation qui emploient la CCSN, Ressources naturelles Canada et l'Agence internationale de l'énergie atomique. Les facultés de droit, les facultés de santé publique et les départements d'études environnementales offrent des cours spécialisés sur la responsabilité nucléaire, la communication des risques radiologiques et la non-prolifération, tous fondés sur les réalités pratiques du cycle du combustible CANDU.

Recherche appliquée à l'échelle : du laboratoire à la grille

Les contributions universitaires se sont systématiquement traduites en améliorations opérationnelles.Le développement du réacteur CANDU avancé (ACR-100) dans les années 2000, bien qu'il ne soit pas construit, reposait sur des recherches universitaires sur des conceptions de combustible à uranium légèrement enrichi, de liquide de refroidissement à eau légère et de cœur compact.

Un exemple est le programme de recherche sur les combustibles et les matériaux (FAM), une initiative multiuniversitaire dirigée par l'Université Queens en collaboration avec la CNL. Les chercheurs de la FAM ont étudié le comportement des faisceaux de combustibles CANFLEX modernes sous incinération prolongée, en utilisant le réacteur NRU (jusqu'à sa fermeture) et des essais avancés sur les réacteurs extérieurs.

Les chercheurs de l'Université de Toronto et de l'Ontario ont élaboré des modèles de dynamique des fluides computationnels qui prédisaient les taux d'éclaircie des parois en fonction de la géométrie des tuyaux, de la chimie de l'eau et de la température, ce qui a permis aux services publics de remplacer de façon proactive les sections de tuyauterie sensibles avant que toute marge de sécurité ne soit érodée, évitant ainsi les pannes imprévues.

L'avenir : petits réacteurs modulaires et concepts CANDU de prochaine génération

Le Canada a lancé un nouveau plan d'action pour la recherche universitaire, solidement ancré dans le patrimoine CANDU. Le concept de la grille, modéré en eau lourde CANDU MONARK, proposé par AtkinsRéalis (anciennement SNC-Lavalin), vise à préserver la flexibilité du combustible de CANDU, tout en intégrant des principes de RSM passivement sûrs.Les universités mènent des études de faisabilité sur l'emplacement, l'évaluation intégrée de la sécurité et l'application de l'apprentissage automatique à la surveillance de base.

En même temps, les RMR non CANDU, y compris le GE-Hitachi BWRX-300 et le microréacteur eVinci de Westinghouse, continueront de bénéficier de l'écosystème de l'expertise universitaire. Les méthodes de transport de neutrons, la qualification environnementale des composants et les stratégies d'acceptation du public élaborées pour le CANDU sont réutilisées et perfectionnées pour ces nouvelles unités. Des institutions comme Université de Regina[, Université Memorial de Terre-Neuve[ et Université de l'Alberta établissent des programmes liés au nucléaire spécifiquement pour appuyer leurs aspirations provinciales en matière de RMR, embauchent souvent des diplômés de grappes universitaires centrées sur le CANDU pour diriger ces efforts.

Des chercheurs de l'Université de la Saskatchewan étudient l'utilisation des réacteurs CANDU pour transmuter des actinides mineurs, réduisant ainsi la toxicité à long terme des combustibles usés.Des études géologiques approfondies, en partenariat avec l'Organisation de gestion des déchets nucléaires[, font appel à des géoscientifiques, des ingénieurs et des spécialistes des sciences sociales de plusieurs universités canadiennes pour modéliser la migration des radionucléides et obtenir le consentement de la collectivité. L'application de l'expérience du CANDU aux cycles de pointe des combustibles, comme les combustibles à base de thorium, est également en cours d'étude à McMaster et à l'Institut de technologie de l'Université de l'Ontario, en mettant l'accent sur l'amélioration de la résistance à la prolifération et la réduction des volumes de déchets.

Portée internationale et stabilité intérieure

Le modèle CANDU-universités-CANDU a été exporté. Les réacteurs CANDU 6 en Roumanie, en Argentine, en Corée du Sud et en Chine ont souvent fait appel à des programmes de transfert de technologie qui ont amené des étudiants étrangers sur les campus canadiens, où ils ont obtenu des diplômes d'études supérieures tout en travaillant sur des projets directement pertinents pour leurs réacteurs d'origine.Cela a permis de bâtir une base mondiale fidèle et bien informée des exploitants et des régulateurs CANDU.

Au pays, le partenariat assure une infrastructure de surveillance stable et fondée sur le mérite.Le personnel technique de la Commission canadienne de sûreté nucléaire est souvent d'anciens chercheurs universitaires qui ont publié sur les phénomènes qu'ils évaluent maintenant dans les demandes de permis. Cette continuité scientifique renforce la réputation du Canada pour une réglementation rigoureuse et fondée sur des données probantes et maintient la confiance du public dans l'énergie nucléaire comme source d'énergie propre.

Le rôle des universités passe d'une fonction de soutien à un co-innovateur essentiel. À mesure que les jumeaux numériques, l'intelligence artificielle pour la maintenance prédictive et la fabrication avancée (p. ex., les composants des réacteurs imprimés en 3D) entreront dans l'enveloppe opérationnelle de la flotte CANDU, les capacités expérimentales et informatiques des universités détermineront la vitesse et la sécurité de l'adoption. La symbiose historique qui a construit la CANDU sera la même force qui la propulse vers les objectifs nets de 2050.