Comment la conception CANDU permet un cycle de carburant différent

Contrairement aux réacteurs à eau pressurisée (REP) ou aux réacteurs à eau bouillante (REB) qui nécessitent de l'uranium enrichi avec une teneur en U-235 de 3 à 5 %, un réacteur CANDU fonctionne avec du combustible naturel à l'uranium (0,7 % U-235). Cela est possible parce que l'eau lourde (D2O) absorbe beaucoup moins de neutrons que l'eau légère ordinaire. Il en résulte un spectre de neutrons bien thermiquement qui non seulement maintient une réaction en chaîne avec l'uranium naturel, mais rend également le réacteur très réceptif aux carburants de remplacement, y compris ceux récupérés à partir de combustibles usés des réacteurs à eau légère.

Dans le CANDU, la combinaison d'un spectre de neutrons thermiques et d'un ravitaillement continu en ligne donne une conversion relativement élevée de U-238 en plutonium-239, qui se fissure ensuite et contribue à une énergie importante. Cette même abondance de neutrons peut être exploitée pour détruire les actinides de longue durée ou pour utiliser des matériaux qui seraient autrement jetés comme déchets. Pour un aperçu technique des caractéristiques de conception du CANDU, les Laboratoires Nucléaires Canadiens fournissent une documentation détaillée sur la capacité du réacteur à accueillir des combustibles à l'uranium et à l'oxyde mixte (MOX) retraités.

Le ravitaillement en ligne est un séparateur central. Les réacteurs CANDU sont alimentés en continu par deux machines à combustible à distance, l'une pousse les faisceaux de combustible frais dans un canal de carburant tandis que l'autre reçoit les faisceaux de combustible usés à l'autre extrémité. Cette capacité permet aux exploitants d'optimiser la composition du combustible en temps réel, en introduisant des faisceaux de combustible recyclés à côté de l'uranium naturel sans s'arrêter. La conception du canal de combustible, avec ses tubes de pression horizontaux et son modérateur d'eau lourde à basse pression, permet une gestion de cœur flexible qui n'est tout simplement pas possible dans un grand réacteur à cuves à pression.

Le cadre de l'économie circulaire dans le domaine de l'énergie nucléaire

Le modèle d'économie circulaire vise à maintenir les ressources en service aussi longtemps que possible, à en extraire la valeur maximale, puis à récupérer et régénérer les produits à la fin de leur vie utile.Appliqué aux matières nucléaires, cela signifie s'éloigner du cycle du combustible ouvert, où le combustible usé est destiné à être éliminé en permanence, pour un cycle fermé ou partiellement fermé, où les isotopes fissiles et fertiles sont séparés, fabriqués en combustible neuf et réintroduits dans les réacteurs.

Dans une économie nucléaire circulaire, trois grands flux de déchets deviennent des matières premières précieuses:

  • Uranium retransformé (RepU)[ à partir de combustible usé PWR, qui contient encore environ 0,8–1,2 % U-235 – plus élevé que l'uranium naturel.
  • Plutonium et éléments transuraniques récupérés lors du retraitement, qui peuvent être mélangés dans des combustibles MOX ou des combustibles de matrice inertes.
  • Thorium placé dans le réacteur comme couverture fertile, produisant U-233, un isotope fissile avec d'excellentes caractéristiques neutrons.

Comme les réacteurs CANDU n'ont pas besoin de cascades d'enrichissement à haute pression, ces matériaux recyclés peuvent être fabriqués en nouveaux faisceaux de combustible avec une simplicité relative, réduisant considérablement la demande d'uranium fraîchement extrait et réduisant le volume total et la radiotoxicité des déchets résiduels. L'Association Nucléaire Mondiale a publié des analyses approfondies sur la disponibilité mondiale de l'uranium recyclé et sa compatibilité avec les réacteurs à eau lourde.

La Politique canadienne de gestion des déchets radioactifs fait explicitement de la réduction des déchets une priorité. L'Organisation de gestion des déchets nucléaires (OMMN), responsable de la gestion à long terme du combustible usé, a noté que le recyclage par le biais du CANDU pourrait réduire l'empreinte d'élimination finale de 40 %, ce qui retarderait la nécessité d'un deuxième dépôt géologique profond.

Recyclage du combustible usé de la RFP dans CANDU : le cycle DUPIC

L'un des concepts les plus novateurs du cycle du combustible qui soit explicitement conçu autour du CANDU est le DUPIC (utilisation directe du combustible usé de réacteur à eau pressurisée dans le CANDU). Développé en collaboration avec la Corée du Sud, le Canada et les États-Unis, le DUPIC élimine l'étape de séparation aqueuse typique du retraitement conventionnel.

Le procédé DUPIC exploite le fait que le combustible usé contient encore environ 1,6 % de plutonium fissile et une quantité importante de U-235 résiduels, soit une quantité suffisante de matière fissile pour maintenir la criticité dans un CANDU sans se mélanger avec de l'uranium frais.Les essais effectués au réacteur de recherche HANARO et des simulations approfondies au Korea Atomic Energy Research Institute[ ont confirmé que le combustible DUPIC pourrait générer environ 15 à 20 % d'énergie supplémentaire à partir de la même matière première d'uranium, tout en réduisant le volume de déchets de haute activité envoyés dans un dépôt géologique.

Du point de vue de l'économie circulaire, le DUPIC illustre le principe de la rétention de la valeur en boucle intérieure. Il évite la séparation chimique des infrastructures de retraitement traditionnelles, tout en offrant une extension importante de la durée de vie des ressources. Bien que le DUPIC n'ait pas encore été commercialisé, sa validation conceptuelle sous-tend la recherche en cours dans les technologies de fabrication de combustible de pointe qui pourraient utiliser directement le combustible usé de n'importe quelle flotte de réacteurs à eau légère, une flotte qui domine le paysage nucléaire mondial.

Le processus DUPIC exige des installations entièrement automatisées et blindées pour écraser et compacter les granulés irradiés, et les faisceaux de combustibles qui en résultent émettent un rayonnement gamma intense qui nécessite des systèmes de manipulation à haute intensité de rayonnement. Toutefois, les progrès de la robotique et de la technologie des cellules chaudes ont réduit de façon constante le risque technique, et la Corée du Sud continue d'investir dans une installation de démonstration DUPIC dans le cadre de sa stratégie de pointe en matière de cycle du combustible.

Technologies de retraitement et formulaires de combustible avancés

Au-delà de la refabrication mécanique directe, la vision plus large de la réutilisation des matières nucléaires implique la séparation hydrochimique ou pyrochimique des composants du combustible usé. Des procédés tels que PUREX (Plutonium Uranium Reduction Extraction) et ses dérivés avancés peuvent isoler l'uranium, le plutonium, les actinides mineurs et les produits de fission. L'uranium récupéré et le plutonium peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer du combustible spécialement adapté aux réacteurs CANDU.

Les faisceaux de combustible CANDU sont relativement courts (environ 50 cm) et consistent en granulés d'uranium naturel enrobés de plomb dans le revêtement Zircaloy-4. Leur modularité permet des stratégies de chargement souples. L'uranium recyclé, qui contient de petites quantités d'U-236 (un absorbeur de neutrons), peut être mélangé avec de l'uranium appauvri ou de l'uranium naturel pour compenser de légères pénalités de réactivité, produisant un combustible qui se comporte de façon prévisible dans le noyau.

Plusieurs irradiations de démonstration, y compris celles effectuées par Énergie atomique du Canada limitée (EACL) aux laboratoires de Chalk River et aux réacteurs Gentilly-1 et NPD, ont permis de vérifier que CANDU peut brûler efficacement du combustible MOX sans modification importante du cœur du réacteur. En fait, la Commission canadienne de sûreté nucléaire[ a indiqué, au moyen d'examens préalables à la délivrance de licences, que le chargement de MOX dans les réacteurs CANDU-6 existants est techniquement réalisable, sous réserve de mises à jour normales de l'analyse de la sûreté.

Des variantes de retraitement avancées comme COEX (un procédé simplifié de co-extraction qui ne produit pas de flux de plutonium pur) et GANEX (Groupe Actinide Extraction) sont en cours de développement pour réduire le risque de prolifération tout en maximisant la récupération.

Thorium comme ressource économique circulaire

Le thorium 232 n'est pas fissile mais peut être converti en U-233 lorsqu'il est irradié avec des neutrons. Comme le thorium est environ trois à quatre fois plus abondant que l'uranium dans la croûte terrestre, et qu'il est souvent associé à des dépôts d'éléments de terres rares, il représente une vaste ressource énergétique, largement inexploitée. Les réacteurs CANDU sont particulièrement bien adaptés pour introduire des cycles de combustible à base de thorium parce qu'ils peuvent être conçus ou adaptés avec des géométries de combustible annulaires qui optimisent la gestion des neutrons entre les régions des semences (conducteur de fibres) et des couvertures (thorium).

Dans un cycle de combustible du thorium CANDU, un noyau fissile central d'uranium ou de plutonium faiblement enrichi fournit les neutrons capturés par un annulaire externe contenant du thorium, qui produit U-233. L'U-233 puis des fissions in situ, contribuant à la puissance et allongeant la combustion. Des études physiques détaillées du réacteur, y compris celles publiées dans Technologie nucléaire et Annales d'énergie nucléaire, ont démontré qu'un CANDU augmenté en thorium peut atteindre un rapport de conversion proche de 1,0, ce qui signifie que le réacteur pourrait essentiellement produire autant de matières fissiles qu'il consomme une fois l'équilibre atteint.

Cela correspond à l'ambition d'une économie circulaire d'un «écosystème nucléaire durable» où la couverture fertile du thorium est irradiée à plusieurs reprises, où l'U-233 est brûlé et où le reste des métaux lourds est recyclé dans un nouveau combustible.Comme les cycles du thorium produisent beaucoup moins d'éléments transuraniques (néptunium, americium, curium) que les cycles uranium-plutonium, la radiotoxicité à long terme des déchets résiduels diminue de façon spectaculaire.

L'uranium appauvri, sous-produit des usines d'enrichissement, est stocké dans le monde entier sans utilisation actuelle. L'irradiation dans un CANDU produit du plutonium qui peut alors conduire à une couverture de thorium, convertissant efficacement deux flux de déchets en énergie. Ce concept de double recyclage fait l'objet d'une étude active à l'Institut de technologie de l'Université de l'Ontario et contribue au programme de recherche à long terme du Canada sur la RSM.

Réduire l'empreinte environnementale de l'exploitation minière de l'uranium

Chaque kilogramme d'uranium ou de plutonium recyclé utilisé dans un réacteur CANDU déplace directement le minerai d'uranium extrait. L'extrémité avant du cycle du combustible nucléaire — extraction, fraisage, conversion, enrichissement — entraîne des impacts environnementaux et sociaux, y compris des perturbations des terres, la gestion de l'eau et les émissions de carbone des produits chimiques de transformation.

Les évaluations quantitatives indiquent que le retraitement et la réutilisation du combustible usé PWR dans le CANDU peuvent réduire le besoin d'uranium frais d'environ 20 à 30 % par unité d'électricité produite, selon les hypothèses de combustion et la composition isotopique du combustible usé. Lorsqu'il est appliqué dans un parc de réacteurs, cela se traduit par moins de mines, moins de bassins de résidus et une chaîne d'approvisionnement plus résistante moins sensible aux fluctuations géopolitiques du marché de l'uranium. Bruce Power, l'exploitant de huit unités CANDU en Ontario, a examiné publiquement la possibilité d'utiliser des combustibles de remplacement dans le cadre de sa stratégie de décarbonisation et de gestion des ressources à long terme.

En réduisant la demande de nouvelles mines, les combustibles recyclés contribuent au respect des droits communautaires et à la réduction des impacts cumulatifs sur les terres traditionnelles. Une étude de l'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire (AEN) a révélé que l'adoption généralisée du recyclage dans les réacteurs à eau lourde pourrait réduire l'extraction mondiale de l'uranium de 15 à 25 % d'ici 2050, ce qui représente une réduction importante de l'empreinte industrielle.

Considérations relatives à l'économie et aux infrastructures

Le modèle d'économie circulaire n'est pas seulement un concept technique, il doit être économiquement viable. Le retraitement du combustible usé, la fabrication de combustibles de pointe et l'expédition de matières spécialisées entraînent tous des coûts qui doivent être évalués en fonction des coûts évités de l'élimination finale et de la valeur marchande des matières fissiles récupérées.Pour les réacteurs CANDU, l'absence d'exigences d'enrichissement est un levier économique important : l'uranium retransformé peut être utilisé dans la forme isotopique « à réception » sans payer pour les unités de travail séparatif, ce qui peut rendre le cycle du combustible CANDU compétitif dans des scénarios où les prix de l'uranium sont élevés ou où la tarification du carbone internalise les externalités environnementales de l'exploitation minière.

Les installations de retraitement à l'échelle pilote en Corée du Sud (KAERI) et au Royaume-Uni (Sellafield, THORP, maintenant fermé, mais avec la planification ultérieure de nouvelles lignes) ont démontré la faisabilité industrielle de séparer l'uranium et le plutonium pour la réutilisation. Cependant, l'échelle de ces opérations et les couplages avec des usines de fabrication de combustibles spécifiques à CANDU demeure un défi de politique et d'investissement.Les gouvernements doivent évaluer le coût par rapport aux avantages stratégiques d'une sécurité énergétique accrue, de la réduction des déchets et de la non-prolifération.

Du côté de l'infrastructure, le parc CANDU actuel, qui compte plus de 40 réacteurs dans le monde, a déjà mis en place des chaînes d'approvisionnement en combustible pour l'uranium naturel. Le recyclage de ces installations pour traiter les matières premières recyclées nécessite des investissements, mais la conception modulaire du faisceau simplifie la transition par rapport aux réacteurs à eau légère.

Sécurité, garanties et acceptation publique

Toute discussion sur le recyclage des matières nucléaires doit porter sur la résistance à la prolifération et la confiance du public.Les réacteurs CANDU ont ici un avantage en raison de leur conception à l'uranium, qui peut accepter des combustibles recyclés qui n'isolent jamais les flux de plutonium pur.Dans le processus DUPIC, par exemple, le plutonium reste mélangé à des produits de fission hautement radioactifs, ce qui le rend autoprotéisant et extrêmement difficile à détourner pour l'utilisation des armes.

De plus, les réacteurs CANDU sont constamment alimentés au moyen de machines à combustible à distance, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire de les fermer pour le ravitaillement et que l'accès au combustible frais est étroitement contrôlé. Combiné aux garanties de l'Agence internationale de l'énergie atomique qui s'appliquent à toutes les matières nucléaires au Canada (qui ont un cadre réglementaire solide régi par la Loi sur la sûreté et le contrôle nucléaires), le déploiement de combustibles recyclés dans CANDU peut être effectué de façon transparente et sécuritaire.

Les sondages auprès du public indiquent que les collectivités situées près des stations CANDU existantes, comme celles de l'Ontario, appuient généralement plus le recyclage des combustibles que la population générale, en grande partie parce qu'elles ont connu des décennies d'exploitation sécuritaire. Bruce Power a démontré que lorsque les résidents comprennent que le recyclage réduit le volume et le risque de combustible usé entreposé, l'acceptation augmente.

Études de cas et programmes expérimentaux

Plusieurs exemples concrets illustrent comment les réacteurs CANDU ont déjà commencé à valider le concept d'économie circulaire :

  • EACL Essais d'irradiation par MOX :[ Tout au long des années 1970 et 1980, EACL a irradié des faisceaux de combustibles expérimentaux contenant de l'oxyde d'uranium-plutonium dans le réacteur NRU de Chalk River. L'examen post-irradiation a confirmé la stabilité des performances et la rétention des produits de fission, établissant ainsi la base de référence pour la qualification moderne du combustible MOX-CANDU.
  • Pu-burning in CANDU:[ Dans le cadre de l'élimination du plutonium russe excédentaire en armes, des études menées par des organisations canadiennes et russes ont évalué les réacteurs CANDU comme une option pour consommer du plutonium de qualité militaire tout en produisant de l'électricité. L'analyse physique a montré qu'un seul CANDU-6 pouvait disposer d'environ 0,5 tonne de plutonium fissiles par année, tout en maintenant une réactivité nulle négative du liquide de refroidissement.
  • Le programme Dupic sud-coréen:[ La Corée du Sud a fabriqué avec succès des éléments combustibles du DUPIC et effectué des irradiations d'essai à HANARO, prouvant la viabilité technique de la refabrication directe.
  • Chine] Expérience CANDU :[ Qinshan Phase III exploite deux réacteurs CANDU-6 qui ont chargé de l'uranium naturel, de l'uranium légèrement enrichi et des faisceaux expérimentaux à thorium. Les données opérationnelles de ces réacteurs fournissent des preuves réelles de la flexibilité du noyau et ont contribué à la recherche avancée sur le combustible nucléaire en Chine, y compris des programmes de réacteurs à sel fondu qui partagent souvent l'infrastructure avec le développement du combustible CANDU.
  • Inde] Ph.D.R.P.D.D. : L'Inde a développé une vaste flotte de réacteurs à eau lourde pressurisée (PHWR) à partir de la technologie CANDU. Dans le cadre de son programme nucléaire en trois étapes, l'Inde utilise activement les PHWR pour brûler le thorium dans un cycle de combustible fermé, avec de l'uranium naturel retransformé dès la première étape alimentant la seconde.

Voies réglementaires et politiques pour une flotte nucléaire circulaire

Pour que le recyclage et la réutilisation des matières nucléaires dans le CANDU deviennent des pratiques normalisées, il faut établir un cadre réglementaire clair. Au Canada, la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN) a un processus bien défini pour l'homologation des combustibles nouveaux. Un promoteur doit démontrer que le nouveau combustible respecte ou dépasse les marges de sûreté existantes dans le cadre de l'exploitation normale, des événements opérationnels prévus et des scénarios d'accident postulés.

Le Cadre stratégique pour les déchets radioactifs du Canada reconnaît que la réduction des volumes de déchets par recyclage est une stratégie légitime de gestion des déchets, et le gouvernement fédéral continue d'investir dans la recherche nucléaire par l'entremise des laboratoires nucléaires canadiens.Le Plan de travail fédéral en sciences et technologie nucléaires comprend des éléments de référence pour les études avancées sur le cycle du combustible.

La CCSN a indiqué qu'elle était disposée à examiner ces cas, comme elle l'a fait pour le combustible légèrement enrichi autorisé pour les centrales CANDU de Qinshan. Le processus prend généralement de trois à cinq ans, y compris les audiences publiques. Pour accélérer le déploiement, une approche coordonnée entre l'industrie et le gouvernement pourrait créer une spécification de combustible pré-licence que tous les exploitants de CANDU pourraient adopter, comme les normes utilisées aujourd'hui pour les faisceaux d'uranium naturel.

Horizons futurs : systèmes CANDU et Neutron rapides

La prochaine génération de concepts de réacteurs à eau lourde et refroidis par eau va probablement pousser l'économie circulaire encore plus loin. La conception du réacteur CANDU avancé (ACR), bien qu'étouffée dans sa forme originale, intègre un léger enrichissement (1-2 %) pour obtenir des incinérations plus élevées tout en conservant le modérateur de l'eau lourde. Cet enrichissement léger pourrait être entièrement fourni par de l'uranium recyclé, transformant ce qui serait un déchet pour une flotte de RFP en combustible de première qualité pour un RPA. De plus, les systèmes hybrides que le couple CANDU avec réacteurs à spectre rapide pourrait utiliser CANDU pour incinérer des actinides mineurs tandis que les réacteurs rapides produisent de nouveaux matériaux fissiles pour les deux.

La feuille de route canadienne sur la RSM, approuvée par plusieurs provinces, prévoit un avenir où les combustibles fabriqués localement à partir de matériaux recyclés alimenteront un réseau réparti de réacteurs, y compris des applications éloignées hors réseau. Cette vision lie directement l'économie circulaire à la souveraineté énergétique des collectivités autochtones et nordiques, où la réduction de la logistique de l'approvisionnement en combustible et du transport des déchets est d'une importance primordiale.

Les techniques pyrochimiques, qui fonctionnent à des températures élevées dans les électrolytes de sel fondu, peuvent séparer les actinides des produits de fission sans produire de flux purs de plutonium. Les faisceaux de combustible CANDU pourraient être dissous et les actinides électroaffinés, puis refabriqués en combustible neuf. Canada Les laboratoires nucléaires explorent cette voie dans le cadre du Forum international de la génération IV, et CANDU est identifié comme un brûleur potentiel pour les actinides mineurs produits par les réacteurs à eau légère.

Conclusion : Un avenir nucléaire efficace en matière de ressources

En acceptant les combustibles que d'autres types de réacteurs ne peuvent pas facilement utiliser, l'uranium retransformé, les granulés de MOX, de DUPIC et les mélanges de thorium, le CANDU convertit les déchets en richesses, réduit la radiotoxicité à long terme du combustible usé et réduit la demande de nouveaux combustibles. C'est l'essence même de l'économie circulaire : maintenir les matériaux à leur valeur maximale le plus longtemps possible. Grâce à la recherche continue, à un engagement réglementaire solide et à l'harmonisation stratégique, la flotte CANDU peut servir de base à un secteur de l'énergie nucléaire véritablement durable et économe en ressources qui répond aux objectifs climatiques tout en minimisant les empreintes environnementales.