Les défis techniques liés à la remise en état des anciennes centrales nucléaires aux normes de sûreté modernes

L'impératif croissant pour moderniser l'infrastructure nucléaire vieillissante

Dans le monde entier, une grande partie de la production d'énergie nucléaire repose sur des installations commandées dans les années 1970 et 1980. Ces installations ont été conçues selon des normes de sûreté qui ont évolué de façon significative depuis, en raison des leçons tirées d'incidents comme Three Mile Island, Tchernobyl et Fukushima Daiichi. Comme bon nombre de ces réacteurs approchent ou dépassent leurs termes de licence de 40 ans d'origine, les exploitants sont confrontés à un choix difficile : déclasser ou poursuivre l'extension de leur vie par une modernisation complète.

Une rénovation réussie peut garantir une production d'énergie propre de 20 à 40 ans, évitant les coûts énormes et les charges de gestion des déchets du déclassement. Une rénovation non réussie ou mal exécutée peut toutefois compromettre la sécurité et la confiance du public. Cet article explore les défis techniques les plus pressants, le paysage réglementaire qui régit ces mises à niveau et les technologies émergentes qui rendent la modernisation plus réalisable que jamais.

Défis du génie structurel et civil

Améliorations sismiques des structures de confinement existantes

L'un des aspects les plus exigeants sur le plan technique de la modernisation est de mettre les bâtiments de confinement et les structures auxiliaires plus anciens aux normes sismiques modernes. De nombreuses usines construites dans les années 1960 et 1970 ont été conçues en utilisant des critères sismiques qui sont maintenant jugés inadéquats, en particulier à la lumière du tremblement de terre et du tsunami de Tōhoku de 2011 qui ont invalidé Fukushima Daiichi.

Pour pouvoir résister à ces charges plus élevées, les bateaux de confinement en béton armé existants doivent être remis en état, notamment:

• Ascensement externe post-tension[ – ajout de tendons en acier à haute résistance à l'extérieur des dômes et des murs de confinement pour améliorer la ductilité et la capacité de charge.
• Enveloppements en polymère renforcé par fibre – en appliquant des matériaux composites pour renforcer les parois et les colonnes de cisaillement sans ajout de poids significatif.
• Isolation de la base – dans de rares cas, séparer physiquement le bâtiment du réacteur de sa fondation en utilisant des roulements élastomères pour le découpler du mouvement au sol.

Chacune de ces méthodes nécessite une modélisation analytique approfondie, souvent à l'aide d'analyses d'éléments finis (AFE) validées par des essais in situ. Le défi est aggravé par la nécessité de travailler dans des espaces extrêmement confinés, autour de systèmes actifs et pendant les courts arrêts de ravitaillement.

Intégrité de la confinement et étanchéité

Les bâtiments de confinement plus anciens, qui peuvent avoir développé des fuites par microcraquage en béton, des plaques de revêtement dégradées ou des joints de pénétration vieillissantes, doivent être recertificatés. Les ingénieurs utilisent des tests intégrés de débit de fuite (ILRT) pour mesurer les fuites de confinement. Si les fuites dépassent les limites permises, les réparations peuvent comprendre :

• Injection d'époxy ou de joints de polymères dans des fissures de béton.
• Soudage de nouveaux segments de plaques de doublure sur des sections dégradées.
• Remplacer ou rénover des centaines d'assemblages de pénétration mécanique et électrique.

Ces opérations prennent du temps, exigent des contrôles radiologiques stricts et exigent souvent des méthodes d'accès novatrices, comme des rampeurs d'inspection robotiques, pour éviter l'exposition humaine.

Modernisation des systèmes d'instrumentation et de contrôle (I&C)

Migration de l'analogique vers le numérique

La plupart des centrales nucléaires plus anciennes comptent toujours sur des systèmes d'instrumentation et de commande analogiques, des contrôleurs pneumatiques, des appareils logiques basés sur des relais et des jauges montées sur panneaux.Ces systèmes sont de plus en plus difficiles à entretenir en raison de l'obsolescence des composants (p. ex. tubes à vide de remplacement, transistors discrets).

Les mises à niveau numériques présentent des obstacles d'ingénierie uniques :

• Fiabilité et vérification des logiciels[ – les systèmes de sûreté nucléaire exigent des probabilités de défaillance extrêmement faibles. La démonstration de l'absence d'erreurs systématiques dans les logiciels par des méthodes formelles et des essais exhaustifs est complexe et coûteuse.
• La défaillance de la cause commune (FCC) – un seul bug logiciel ou défaut de conception pourrait affecter plusieurs canaux redondants. Les stratégies de diversification (utilisant différentes architectures de processeur ou langages de programmation) sont de plus en plus prescrites par des organismes de réglementation comme la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (CNRC).
• Cybersecurity – la connexion des systèmes numériques aux réseaux d'usines ou aux diagnostics à distance ouvre de nouveaux vecteurs d'attaque.

Malgré ces défis, les avantages de l'I& numérique;C – une fiabilité améliorée, un diagnostic amélioré et la capacité de mettre en oeuvre des algorithmes avancés – en font une pierre angulaire des modernisations modernes. Le programme de développement durable du réacteur d'eau légère (LWRS) du département américain de l'énergie a parrainé plusieurs mises à niveau numériques réussies dans des installations pilotes, dont des systèmes de contrôle numérique intégrés aux stations de Byron et Braidwood.

Systèmes de sûreté nucléaire durcis pour les événements au-delà de la conception-base

Après Fukushima, les régulateurs du monde entier ont exigé que les usines installent des systèmes de sécurité durcis capables de maintenir le refroidissement et le confinement même lors d'un accident grave qui désactive toutes les alimentations électriques normales et de secours.

• Pompes et générateurs portables stockés dans des endroits protégés.
• Réservoirs de stockage d'eau et raccords supplémentaires pour injecter le liquide de refroidissement dans le système de refroidissement du réacteur.
• Évents durcis pour réacteurs à eau bouillante (REB) avec confinements Mark I pour éviter la surpression.

L'intégration de ces systèmes portables dans une architecture existante nécessite de nouveaux points de connexion, des canalisations modifiées et des commutateurs électriques améliorés. Le défi technique consiste à s'assurer que ces systèmes sont facilement déployables, protégés des mêmes dangers que ceux qui désactivent les systèmes permanents et capables d'être exploités par un petit équipage sous une contrainte extrême.

Systèmes de refroidissement et défis thermiques-hydrauliques

Modernisation des systèmes de refroidissement de base d'urgence (ECCS)

Les normes modernes exigent des débits plus élevés, des durées de fonctionnement plus longues et une tolérance au blocage des débris. La remise en état de pompes, d'échangeurs de chaleur et de réservoirs d'accumulateurs plus importants dans les bâtiments existants constitue un défi physique important. De plus, les presses à succion ECCS doivent être améliorées pour empêcher les débris – de l'isolation ou d'autres matériaux – de bloquer les pompes pendant un LOCA. Il s'agit de modéliser la dynamique des fluides pour optimiser la taille et le maillage des presses, puis de les transformer en grands presses à pression, souvent construites sur mesure, en des somptueux avec un accès limité.

Systèmes de refroidissement passif pour piscines de combustible usé

Dans une station prolongée, ces réservoirs peuvent chauffer et bouillir, ce qui peut libérer du césium radioactif. De nombreuses améliorations intègrent maintenant des systèmes de refroidissement passif qui utilisent la circulation naturelle ou des échangeurs de chaleur externes. Il faut concevoir des systèmes qui s'adaptent à l'espace compact au-dessus ou à côté des bassins existants, tout en assurant un fonctionnement fiable sans pièces mobiles.

Par exemple, le plan d'action de l'AIEA sur la sûreté nucléaire souligne l'importance de telles améliorations pour le fonctionnement à long terme.Les ingénieurs ont mis au point des tours de refroidissement à effet cheminée et des échangeurs de chaleur passifs refroidis par air qui peuvent être montés sur le toit du bâtiment du réacteur, se raccordant à la piscine par l'intermédiaire de tuyauteries existantes.

Dégradation matérielle et gestion du vieillissement

Embrittlement de cuve à pression du réacteur

Le réacteur à pression (RPV) est irremplaçable. Pendant des décennies d'irradiation par neutrons, son acier devient fragile, réduisant sa capacité de résister aux chocs thermiques, surtout lors d'un refroidissement rapide en cas d'accident.

• Essais de surveillance des capsules pour mesurer les propriétés réelles de résistance à la rupture.
• Recuit thermique – chauffe le VPR à des températures élevées pour restaurer partiellement la ductilité, technique appliquée avec succès à plusieurs usines américaines, dont l'usine de Palisades (maintenant désaffectée).
• Élaboration de procédures d'exploitation modifiées pour limiter les taux de refroidissement et réduire les contraintes thermiques.

Chacune de ces mesures nécessite une analyse technique rigoureuse et une approbation réglementaire. Le défi consiste à prévoir avec confiance l'état du navire 20 ans plus tard.

Vieillissement des câbles et des composants électriques

Les câbles électriques de classe 1E, qui sont nécessaires pour les systèmes de sécurité, sont soumis à des fissures d'isolation, à des fragilisations et à l'humidité au cours de décennies. De nombreux câbles plus anciens ont été installés avec des matériaux qui ne répondent pas aux normes modernes de résistance aux flammes ou de résistance aux radiations.

• Techniques de surveillance de l'état (indenter module, allongement-à-l'arrêt) pour évaluer la vie restante.
• Nouveau routage et réacheminement des câbles pour contourner les sections dégradées.
• Installation de systèmes à fibres optiques de détection de température répartie (STD) qui permettent de détecter les points chauds, ce qui permet un entretien prédictif.

Ces approches prolongent la durée de vie fiable sans remplacement en gros, mais elles exigent une expertise spécialisée et une intégration attentive avec les systèmes de protection électrique existants.

Les obstacles à la réglementation et à la délivrance de licences

Gestion d'une base de délivrance de permis changeante

Toute modification importante exige une modification de la base de délivrance des licences de l'usine, l'ensemble des exigences réglementaires et des critères de conception que l'usine doit satisfaire. Aux États-Unis, ce processus consiste à soumettre une demande de modification de licence (DAR) au CNRC, qui peut prendre deux à cinq ans pour des modifications complexes.

• 10 Conformité au RCF Partie 50 (surtout l'annexe A – Critères généraux de conception).
• 10 CFR Partie 54 (Règles de renouvellement de licence).
• 10 CFR 50.69 (catégorie de composants liés à la sécurité en fonction du risque).

À l'échelle internationale, des normes telles que la série des normes de sûreté de l'AIEA (par exemple, NS-R-1, SSR-2/1) guident la qualification des nouveaux équipements, le défi étant que les équipements numériques modernes ne possèdent souvent pas de prédécesseur analogique déjà qualifié, chaque composant devant subir des essais de qualification environnementale (QE) pour les vibrations, la température, l'humidité et les rayonnements dans des conditions d'accident, ce qui peut prendre des mois et coûte cher.

Traitement des questions d'innocuité génériques (IGS)

Les organismes de réglementation émettent périodiquement des questions de sécurité génériques qui exigent une réponse à l'échelle de la flotte. Par exemple, le GSI-191 (effets de débrouille sur ECCS) du CNRC a forcé de nombreuses usines à réévaluer les conceptions d'écrans de sabordage.

Gestion de projet et défis de la construction

Manoeuvres et compression programmée

Les pannes de ravitaillement nucléaire durent généralement 20 à 40 jours. Les travaux de réaménagement doivent être soigneusement séquentilisés pour s'intégrer à ces fenêtres, compressant souvent en quelques semaines ce qui serait autrement des mois de construction.

• Préfabrication et modularisation étendues des composants hors site.
• Résoudre les interférences (conflits entre les systèmes structuraux, les tuyauteries et les systèmes électriques nouveaux et existants) dans les modèles tridimensionnels examine bien avant le début de la panne.
• Avoir des équipes de secours et des plans d'urgence pour les obstacles imprévus (p. ex., une soudure qui échoue à un examen non destructif).

Le coût de l'extension d'une panne nucléaire est énorme – jusqu'à 1 million de dollars par jour en coûts d'énergie de remplacement – donc la discipline de calendrier est primordiale. Pourtant, la nature première de la nature de nombreuses rénovations signifie que les courbes d'apprentissage sont raides, et les retards sont fréquents.

Chaîne d'approvisionnement et main-d'œuvre qualifiée

De nombreux composants essentiels pour la modernisation nucléaire — les vannes de grand diamètre, les pompes qualifiées NQA-1, les instruments de classe 1E — sont maintenant produits par un nombre réduit de fournisseurs. Les délais de livraison de ces articles peuvent dépasser 18 mois. De plus, les travailleurs qualifiés ayant une expérience de la construction nucléaire (p. ex., les soudeurs nucléaires certifiés) sont en manque.

Progrès technologiques permettant des améliorations plus sûres

Jumelles numériques et simulation avancée

Les ingénieurs peuvent simuler l'impact des nouveaux équipements sur les performances du système, identifier les interférences avant toute coupe d'acier et valider les changements logiques de contrôle sans risque pour l'usine. Par exemple, EPRI a développé des cadres intégrés[ pour utiliser des jumeaux numériques pour évaluer les marges de sécurité après les rénovations.

Prise de décisions éclairées en matière de risques

Au lieu d'appliquer des règles déterministes prescriptives, les modernisations modernes utilisent de plus en plus des approches fondées sur le risque (p. ex., offrir une protection accrue aux systèmes qui dominent la fréquence des dommages de base), ce qui permet aux ingénieurs de prioriser les améliorations qui procurent le plus grand avantage en matière de sécurité par dollar.

Fabrication additive pour pièces obsolètes

Lorsque les dessins originaux du fabricant sont perdus ou que l'outillage n'existe plus, la fabrication additive (3D) peut produire des pièces de rechange avec des matériaux de qualité nucléaire. Le CNRC a approuvé des projets utilisant la fusion de lits de poudre laser pour créer des roues pour les pompes et les supports pour l'équipement de sécurité, ce qui réduit les délais d'exécution d'années à semaines et peut restaurer la fonctionnalité de systèmes qui, autrement, nécessiteraient une refonte complète.

Études de cas sur la rénovation réussie

Bien que chaque centrale présente des défis uniques, plusieurs exemples illustrent ce qui est possible.La centrale nucléaire de Davis-Besse (Ohio, États-Unis) a subi un important remplacement de la tête et une amélioration de confinement après un événement de corrosion en 2002. Les ingénieurs ont remplacé la tête du réacteur au moyen d'un assemblage préfabriqué massif, ont installé de nouvelles buses et ont amélioré le système de refroidissement du noyau d'urgence pour traiter le chargement des débris, tous dans un seul arrêt prolongé.

En Europe, l'usine de Ringhals a mis en œuvre des travaux de modernisation sismique de grande envergure, y compris l'isolement de base de certains bâtiments et le remplacement des générateurs diesel de secours par des unités durcies stockées dans des soutes renforcées. Ces travaux ont été menés par la réglementation suédoise qui prévoyait les leçons de Fukushima avant 2011.

Conclusion : La voie à suivre

La remise en état des anciennes centrales nucléaires aux normes de sûreté modernes demeure l'une des tâches les plus exigeantes du secteur de l'énergie. Les défis concernent le renforcement structurel, la modernisation numérique, la robustesse des systèmes de refroidissement, la gestion des matériaux vieillissants et la navigation dans des cadres réglementaires complexes.

Les progrès réalisés dans les domaines de la simulation, de la réglementation fondée sur le risque et des technologies de fabrication réduisent régulièrement le coût et l'incertitude de ces projets. À mesure que la flotte nucléaire mondiale vieillira, la capacité de réaliser des rénovations de haute qualité sera essentielle pour atteindre les objectifs climatiques tout en assurant la sécurité.