L'arête unique des réacteurs CANDU neutroniques

Contrairement aux réacteurs à eau légère dominants, le CANDU utilise à la fois de l'eau lourde (oxyde de deutérium) comme modérateur et comme fluide de refroidissement. Ce choix permet une économie de neutrons significativement supérieure, permettant la fission avec de l'uranium naturel, sans enrichissement coûteux. Le réacteur permet le ravitaillement en ligne : les faisceaux de combustible sont poussés à plein régime, ce qui permet d'atteindre des facteurs de capacité toujours supérieurs à 90 % et une gestion de la réactivité de base.

Chaque canal est constitué d'un réservoir horizontal de calandre rempli d'eau lourde, pénétré par des centaines de canaux de combustible. Chaque canal est doté d'une chaîne de faisceaux compacts de combustible à 37 éléments, manipulés par des machines robotisées de ravitaillement. La modularité mécanique correspond à la flexibilité neutronique : l'eau lourde absorbe beaucoup moins de neutrons que l'eau ordinaire, créant un surplus qui peut produire de nouveaux combustibles ou brûler des transuraniques à longue durée de vie.

Pourquoi la transition vers des cycles avancés de carburant

Le cycle conventionnel du combustible une fois par la suite extrait moins de 1 % de l'énergie de l'uranium extrait. Le reste devient de l'uranium appauvri ou du combustible usé rejeté contenant des isotopes fissiles comme le plutonium-239 et l'uranium résiduel-235. Les cycles de combustible de la prochaine génération visent à fermer cette boucle : recyclage des matières fissiles, utilisation d'isotopes fertiles alternatifs, réduction du volume et de la radiotoxicité des déchets nécessitant une élimination géologique profonde.

De l'ouverture à la fermeture : un changement de philosophie

Un cycle de combustible ouvert traite le combustible usé comme un déchet; un cycle fermé le traite comme une ressource.Les réacteurs CANDU peuvent brûler ce que les LWR ne peuvent pas.L'environnement riche en neutrons maintient la fission sur les combustibles qui seraient sous-critiques ailleurs: l'oxyde mélangé (MOX), l'uranium rétraité et les combustibles à faible concentration d'éléments transuraniques.La fermeture du cycle réduit l'extraction de l'uranium frais, réduit les volumes de déchets de haute activité et transmute les actinides à longue durée de vie en produits de fission à courte durée de vie.

Les moteurs économiques et la durabilité des ressources

L'enrichissement exige une infrastructure et une énergie massives. En utilisant des combustibles déjà disponibles, le plutonium provenant d'armes démantelées ou de thorium, qui est trois à quatre fois plus abondant que l'uranium, les réacteurs CANDU se couvrent contre ces variables. Le ravitaillement en ligne améliore encore l'économie parce que le combustible peut être optimisé sans interruptions de revenus.

Combustible CANDU et oxyde mixte (MOX)

Le combustible mixte à base d'oxyde d'uranium et de plutonium est le combustible nucléaire le plus mature. Alors que les LWR en France et au Japon ont adopté le MOX, le réacteur CANDU offre des avantages distincts. La modération de l'eau lourde offre une efficacité neutronique exceptionnellement élevée, de sorte que le combustible MOX peut être introduit avec une teneur en plutonium inférieure à la production de plutonium, ou même avec un mélange plutonium-uranium dérivé du combustible CANDU usé recyclé lui-même.

Recyclage du plutonium dans l'eau lourde

Le combustible usé contient environ 1 % de plutonium, un mélange d'isotopes fissiles (Pu-239 et Pu-241) et d'autres substances absorbant les neutrons. Lorsqu'il est mélangé dans un MOX et chargé dans un CANDU, le réacteur détruit le plutonium tout en produisant de l'électricité. L'Agence internationale de l'énergie atomique a coordonné des projets de recherche qui modélisent les réacteurs de type CANDU en tant que consommateurs efficaces de plutonium. La physique est convaincante : le stock de matières fissiles initial élevé est lentement détruit et le ravitaillement en ligne permet aux exploitants de gérer l'accumulation de produits de fission absorbant les neutrons, en maintenant une réactivité constante sans poisons burnables.

Manifestations mondiales réelles

Les essais confirment que MOX se comporte de façon prévisible dans des conditions CANDU : la température du combustible, le rejet de gaz de fission et la stabilité dimensionnelle demeurent dans des limites acceptables. Les études de faisabilité réalisées par Énergie atomique du Canada limitée et ses successeurs indiquent qu'une station CANDU existante pourrait passer à un noyau MOX partiel sans changements matériels majeurs, simplement en utilisant de nouveaux modèles de faisceaux qui ressemblent au faisceau standard de 37 éléments mais avec différentes compositions de granulés.

Cycles de combustible au thorium : une vision à long terme

Le thorium fascine les ingénieurs nucléaires parce qu'il est fertile : le Th-232 absorbe un neutron pour devenir le Th-233, qui se décompose par le Pa-233 à l'U-233, un isotope fissile très efficace. Avec le thorium aussi abondant que le plomb, un cycle de combustible du thorium pourrait prolonger les ressources en combustible pendant des millénaires.

Adapter le CANDU pour le thorium

Le faisceau de combustible CANDU standard peut être redessiné pour incorporer l'oxyde de thorium à côté d'un combustible conducteur, soit de l'uranium enrichi, du plutonium ou de l'U-233. Dans un cycle de thorium à une seule fois, la graine fournit des neutrons qui transforment le thorium en U-233, ce qui contribue à l'alimentation au fur et à mesure que le faisceau progresse dans le réacteur.

Avantages et caractéristiques de sécurité des déchets

L'argument le plus convaincant pour le cycle du thorium dans le CANDU est la réduction radicale de la radiotoxicité à longue durée de vie.Comme le chemin du thorium contourne la plupart des productions transuraniennes, le combustible usé du thorium est dominé par des produits de fission qui se dégradent jusqu'à des niveaux sûrs en quelques centaines d'années, et non par des centaines de milliers d'années associés au plutonium et à des actinides mineurs.

Cycle DUPIC : utilisation directe du combustible usé de la RUP dans le CANDU

Développé par l'Institut coréen de recherche sur l'énergie atomique (KAERI), le cycle DUPIC (utilisation directe de combustible usé de type PWR dans CANDU) offre une façon intelligente de recycler le combustible usé de type LWR sans retraitement chimique complet. Le combustible usé de type PWR est compacté mécaniquement et refait en faisceaux CANDU – il n'y a pas de séparation du plutonium, ce qui réduit le risque de prolifération. Les faisceaux recyclés contiennent environ 30 % des matières fissiles originales, suffisamment pour maintenir la fission dans un environnement riche en neutrons de type CANDU.

Cycles avancés de combustible et sécurité opérationnelle

La flexibilité de choisir des combustibles à températures de fonctionnement plus basses, une conductivité thermique plus élevée ou des coefficients de rétroaction plus favorables ouvre la porte à des améliorations de la sûreté. L'Association nucléaire mondiale signale que les réacteurs à eau lourde maintiennent une très faible sensibilité à la réactivité positive du vide. Combinés à des combustibles dont les points de fusion sont plus élevés, le système devient encore plus indulgent dans des conditions anormales.

Refroidissement passif et atténuation des accidents graves

Les réacteurs CANDU sont dotés d'un noyau de faible densité et d'un volume important d'eau lourde qui agit comme un puits de chaleur important. Dans un accident de perte de refroidissement, le modérateur fournit un refroidissement passif aux canaux de carburant, retardant ou prévenant les dommages causés par le carburant. Les cycles de combustible avancés ne compromettent pas cette caractéristique : le carburant à oxyde de thorium a une conductivité thermique comparable à l'anhydride uranium mais avec un point de fusion plus élevé, ce qui donne une marge supplémentaire avant la défaillance du combustible.

Initiatives de coopération et de recherche internationales

Le Canada travaille avec l'AIEA, l'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire et des partenaires en Corée du Sud, en Chine et en Argentine. En Corée du Sud, le programme APR‐1400 a examiné les synergies entre les LWR et les HWR pour la transmutation des déchets. En Chine, deux réacteurs CANDU‐6 à Qinshan fonctionnent depuis le début des années 2000; les autorités chinoises ont investi dans des études de faisabilité pour convertir ou compléter ces unités en vue de l'utilisation du thorium, en tirant parti des grandes réserves de thorium du pays.

Synergies économiques et environnementales

Au-delà de la performance technique, les cycles de combustible durables dans le CANDU sont porteurs de synergies économiques et environnementales importantes. Un réacteur qui produit simultanément de l'électricité de base, réduit les stocks de plutonium existants et réduit le volume de déchets à haute concentration répond à de multiples préoccupations sociétales. À mesure que la tarification du carbone augmente, l'empreinte carbone du nucléaire au cours de son cycle de vie complet devient un avantage concurrentiel.

Développement régional et sécurité énergétique

Pour les pays sans enrichissement intérieur, le cycle de l'uranium naturel de CANDU , offre déjà une indépendance énergétique. Les cycles de combustible avancés approfondissent cette indépendance. L'Inde, avec sa flotte de réacteurs à eau lourde éprouvée et son thorium abondant à partir de sables monazitiques, envisage un cycle de combustible domestique basé sur le thorium. L'Inde, le programme nucléaire en trois étapes compte sur les réacteurs à eau lourde dans un premier temps pour produire du plutonium, qui alimentera ensuite les réacteurs rapides pour produire de l'uranium 233.

Surmonter les obstacles techniques et réglementaires

La fabrication de MOX ou de thorium à l'échelle commerciale exige des installations qui manipulent des poudres radioactives dans des environnements à gant, avec des coûts d'investissement plus élevés que la fabrication standard de combustible à l'uranium. Toutefois, l'expérience des usines de MOX en France et au Royaume-Uni démontre que ces installations peuvent être exploitées économiquement lorsque la valeur de l'électricité et de la réduction des déchets est prise en compte. Pour les exploitants de CANDU, le coût différentiel est gérable parce que la conception de faisceaux est petite et normalisée; seule la chimie des granules change.

Le cadre de réglementation au Canada, supervisé par la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN), a déjà démontré la capacité d'autoriser les carburants de remplacement. L'approche fondée sur le rendement de la CCSN est axée sur les résultats en matière de sûreté plutôt que sur les spécifications normatives. Combinée à une solide histoire d'examen par les pairs internationaux, le cheminement entre le noyau du laboratoire et celui du réacteur est clair, bien que délibéré.

Tracer la voie à suivre

Le mariage de la technologie CANDU avec les cycles de combustible de la prochaine génération n'est pas un rêve lointain, c'est l'évolution naturelle d'une plate-forme de réacteur qui a toujours excédé l'efficacité des neutrons et la capacité d'adaptation des combustibles. Les capacités qui ont fait de CANDU un appel pour les pays qui voulaient éviter l'enrichissement en font maintenant une étape décisive dans les stratégies de fermeture du cycle du combustible nucléaire.

La communauté nucléaire internationale, par le biais de collaborations comme le Génération IV International Forum[, des accords bilatéraux de recherche et des projets dirigés par l'industrie, doit continuer d'investir dans la R-D sur le cycle du combustible adaptée aux réacteurs à eau lourde à tubes de pression.La flotte mondiale actuelle de CANDU offre une plate-forme d'essai et de déploiement prête à l'emploi, tandis que le potentiel de nouvelles constructions dans les pays qui privilégient l'indépendance du cycle du combustible demeure fort.