La conception du réacteur CANDU (CANada Deuterium Uranium) est reconnue depuis longtemps pour son économie exceptionnelle en neutrons et sa flexibilité du cycle du combustible, en le séparant de la plupart des réacteurs à eau légère qui nécessitent de l'uranium enrichi. Les unités CANDU fonctionnent sur de l'uranium naturel tout en étant capables d'utiliser un large éventail de combustibles de remplacement, de l'uranium recyclé et du plutonium jusqu'aux combustibles à base de thorium.Cette adaptation inhérente fait de la plate-forme CANDU un point de convergence pour les stratégies de recyclage du combustible de pointe qui promettent de réduire radicalement les déchets de haute activité, de conserver les ressources naturelles et d'améliorer la durabilité de l'énergie nucléaire.

Progrès réalisés dans les technologies de recyclage du combustible CANDU

Les efforts de recherche-développement ont permis de trouver de multiples voies parallèles pour récupérer les matières fissiles du combustible usé et les réintroduire dans le cycle du combustible CANDU, allant des adaptations du retraitement aqueux classique aux techniques entièrement sèches et non aqueuses, offrant chacune des avantages distincts en termes d'efficacité, de volume de déchets et de résistance à la prolifération.

Evolution du retraitement aqueux et du standard PUREX

Le procédé d'extraction de l'uranium uranium (PUREX) demeure la méthode industrielle la plus mature pour séparer le plutonium et l'uranium du combustible irradié.[Développé à l'origine pour des programmes militaires et adapté ultérieurement au combustible civil du réacteur à eau légère, PUREX a été adapté pour les flux de combustible compatibles CANDU. Dans ce procédé, les éléments combustibles usés sont dissous dans de l'acide nitrique et la solution résultante est soumise à de multiples étapes d'extraction de solvant à l'aide de phosphate tributylique. L'uranium purifié peut être réenrichi ou, plus généralement, mélangé à l'uranium naturel équivalent pour la fabrication directe en nouveaux faisceaux CANDU. Le plutonium séparé, lorsqu'il est combiné à des oxydes d'uranium ou de thorium, constitue la base du combustible mixte (MOX). Bien que la technologie PUREX soit bien établie, son application aux cycles de combustible CANDU présente des défis uniques : le combustible usé CANDU n'a pas une combustion plus faible (généralement 7–8 GWd/tU a été utilisé pour les effluents liquides, et les effluents ont une réduction de la composition isotopique qui,

Cycle DUPIC : utilisation directe du combustible usé à LWR dans le CANDU

Dans le cas d'un projet de retraitement traditionnel qui sépare l'uranium et le plutonium, le DUPIC s'appuie sur un procédé thermique/mécanique à sec pour convertir les granulés de combustible du réacteur à eau pressurisée usée (PWR) directement en éléments combustibles compatibles avec le CANDU. Les granulés de combustible du PWR usé sont démontés, les granulés sont écrasés, déclassés et soumis à une série de cycles d'oxydation et de réduction à haute température (le procédé OREOX) qui pulvérisent le matériau et libèrent des produits de fission volatile, y compris le krypton et le tritium. La poudre résultante est alors pressée, frittée et chargée dans des gaines CANDU. Comme il n'y a pas de séparation complète de l'échelle du plutonium, la matière reste hautement radioactive et ne présente jamais de flux de plutonium pur, et la substance présente un effet de prolifération inhérente du combustible est éliminée avec succès.

Rétraitement à sec et pyrotraitement Innovations

[Le procédé de fabrication de la pâte à papier à haute teneur en carbone, qui consiste à utiliser des sels fondus (généralement du chlorure de lithium-chlorure de potassium eutectique) et des électrodes métalliques liquides pour séparer les actinides électrochimiques des produits de fission à des températures élevées (450-600°C). Le procédé de fabrication de la pâte à papier ne nécessite pas de dissolution de l'acide nitrique, produit des volumes beaucoup plus faibles de déchets liquides secondaires et peut être adapté pour produire un produit composé d'actinides mixtes plutôt que du plutonium séparé, renforçant ainsi la résistance à la prolifération.

oxyde mixte (MOX) et autres formes de combustible avancées

La fabrication et l'irradiation de combustibles MOX dans les réacteurs CANDU sont l'un des succès les plus tangibles du recyclage des combustibles à ce jour. Le combustible MOX mélange le dioxyde de plutonium avec du dioxyde d'uranium naturel ou appauvri pour produire des granulés de céramique qui sont géométriquement identiques à ceux du combustible CANDU standard. Le Canada a une longue histoire de recherche sur les MOX aux Laboratoires de Chalk River, et plusieurs irradiations de démonstration ont confirmé que les faisceaux de MOX fonctionnent de façon fiable dans les conditions de ravitaillement en puissance de CANDU et peuvent produire des combustions comparables à l'uranium naturel (jusqu'à 10 GWd/tU). À l'échelle internationale, l'Inde a exploité ses réacteurs à eau lourde sous pression (RPH), qui sont fondés sur la conception de CANDU, pour irradier le combustible MOX dans le cadre de son programme nucléaire en trois étapes, en utilisant le plutonium récupéré dans ses installations de retraitement indigènes à Tarapur et Kalpakkam.

Démonstration industrielle et collaboration internationale

La Corée du Sud a mis en oeuvre un programme de coopération multinationale, qui a permis de passer de concepts de laboratoire à des applications industrielles à grande échelle. Le programme DUPIC a, par exemple, impliqué un consortium d'instituts de recherche nationaux (y compris KAERI et l'Université nationale de Séoul) et des partenaires internationaux, et a réussi à fabriquer et à tester des éléments combustibles malgré l'immense difficulté technique que posait le processus de mise au point de nouveaux systèmes robotiques capables de traiter des débits de dose gamma dépassant 100 kGy/h. Les laboratoires nucléaires fédéraux du Canada ont engagé plusieurs projets de recherche coordonnés qui réunissent les pays qui exploitent le CANDU pour partager des données sur le comportement des combustibles, les performances des formes de déchets et les approches de sauvegarde.

Défis persistants dans le recyclage du combustible CANDU

Malgré des décennies de progrès progressifs, une série de défis interdépendants continuent d'empêcher la fermeture à grande échelle du cycle du combustible CANDU. Ces obstacles sont de nature économique, sécuritaire, environnementale et sociétale, et chacun d'eux doit être abordé avec une combinaison d'innovation technique et de réforme institutionnelle.

Viabilité économique et coûts d'infrastructure

Une usine moderne de retraitement aqueux capable de traiter les paquets de combustibles de type CANDU nécessiterait un investissement mesuré en milliards de dollars, par exemple, une installation d'une capacité de 100 tHM/an pourrait coûter plus de 5 milliards de dollars lorsque les piles à chaleur, le traitement des déchets et la conformité réglementaire sont inclus. Même une installation de pyrotraitement supporte un fardeau de capital élevé à l'avance, estimé à 2 à 3 milliards de dollars pour une usine entièrement intégrée. Lorsque l'uranium naturel est disponible à des prix relativement bas et stables (historiquement de 20 à 40 $/lb U3O8), le coût du combustible nivelé pour un cycle CANDU une fois par cycle reste considérablement inférieur à celui d'un cycle basé sur le recyclage, d'un facteur de 1,5 à 2. Sans une augmentation significative des prix de l'uranium (qui pourrait dépasser 150 $/lb), un mécanisme de tarification du carbone qui, une fois que les déchets auraient été utilisés, aurait pu être utilisé par les entreprises de production de l'énergie, comme l'a suggéré le Groupe de travail sur les déchets de la Corée du Sud, ou les subventions directes, le cas d'entreprise pour le recyclage a été utilisé

Résistance à la prolifération et préoccupations en matière de sécurité

Bien que les procédés tels que le DUPIC et le pyrotraitement soient conçus pour ne jamais produire de flux purifié de plutonium, toute opération de recyclage du combustible qui implique la manipulation de matières fissiles séparées fait l'objet d'un examen international intense. La ligne entre le retraitement civil et les matières nucléaires utilisables par les armes peut sembler mince, et l'existence même d'infrastructures de retraitement peut susciter des tensions régionales, comme le montre la péninsule coréenne. Des garanties robustes administrées par l'AIEA sont indispensables, mais leur mise en oeuvre ajoute de la complexité et des coûts; par exemple, une installation de traitement du pyrocarbure nécessite un contrôle quasi continu des flux de matières par des mesures comptables et des caméras de confinement/surveillance.

Flux de déchets secondaires et impact environnemental

Le recyclage n'élimine pas la nécessité d'un stockage géologique; il transforme la forme des déchets et modifie l'inventaire des radionucléides à longue durée de vie. Le retraitement aqueux génère des déchets liquides à haute teneur qui doivent être vitrifiés en verre borosilicaté, ainsi que des flux à niveau intermédiaire contenant des coques de revêtement (zircaloy), des produits de dégradation des solvants et des matériaux de déclassement. Le processus de vitrification lui-même est à forte intensité énergétique et produit des billes de verre qui sont beaucoup plus volumineuses que le combustible usé original (environ 30 % par unité de chaleur). Le traitement pyrotechnique produit des déchets céramiques ou métalliques riches en produits de fission (comme la zirconie monoclinique ou le sodalit à liaison verre) qui demeurent hautement radioactives et nécessitent un isolement robuste.

Cadres réglementaires et acceptation par le public

Même dans les pays où les régulateurs nucléaires sont bien établis, le processus d'autorisation d'une installation de recyclage des combustibles de première catégorie peut prendre une décennie ou plus. Les règlements initialement rédigés pour les cycles de combustible une fois par l'intermédiaire doivent être réinterprétés ou entièrement réécrits pour tenir compte des caractéristiques radiologiques et chimiques uniques du combustible recyclé.Par exemple, la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN) a dû élaborer de nouveaux guides de sécurité pour la manipulation des piles à chaleur en poudre du DUPIC, y compris des exigences de confinement dans le cadre d'événements sismiques et de maintien de la sous-criticité dans le stockage dense de combustible.L'opposition publique se cristallise souvent autour des usines de retraitement, non en raison de défauts techniques, mais en raison de craintes enracinées dans l'association à des programmes d'armes nucléaires ou du risque perçu d'accidents graves.

Les obstacles techniques dans la fabrication de carburant avec des matériaux recyclés

La fabrication de granulés de combustible à partir de poudres recyclées pose de graves problèmes d'ingénierie. Même avec la manipulation à distance, le rayonnement gamma et neutronique intense à partir de matériaux tels que la poudre DUPIC (avec des débits de dose gamma jusqu'à 1000 Sv/h au contact et des flux neutrons dépassant 10^8 n/cm2/s) nécessite des cellules chaudes spécialisées avec un blindage épais (généralement 1,5 à 2 m de béton), un soudage à distance et des robotiques sophistiquées qui peuvent fonctionner de façon fiable dans des environnements à forte dose.

Perspectives d'avenir : clôture du cycle du combustible CANDU

Dans l'avenir, la trajectoire du recyclage du combustible CANDU sera façonnée par des progrès dans plusieurs domaines interdépendants : conception des réacteurs, science de la séparation et évolution du paysage politique autour de l'énergie nucléaire. Les sous-sections suivantes décrivent les voies les plus prometteuses et les conditions dans lesquelles elles pourraient être déployées commercialement.

Technologies de retraitement de la prochaine génération

Les recherches actuelles vont au-delà de la dichotomie classique de PUREX/pyrotraitement vers des procédés hybrides qui combinent les meilleures caractéristiques des deux approches. Les procédés aqueux avancés, comme ceux basés sur les extracteurs monoamides (par exemple, N, N-dialkylamides) ou des résines chromatographiques innovantes, visent à séparer l'uranium, le plutonium et les actinides mineurs sans produire de plutonium pur, ce qui accroît la résistance à la prolifération tout en réduisant la charge thermique à long terme des déchets. L'un des développements notables est le procédé GANEX (Groupe ActiNide Extraction), qui utilise un solvant unique pour extraire tous les actinides ensemble, laissant les produits de fission en phase aqueuse.

Intégration avec le thorium et les cycles de carburants de remplacement

Le cycle du combustible à base de thorium a longtemps été associé à la conception du CANDU, car le réacteur, modérateur d'eau lourde et ravitaillement en ligne, lui permet d'utiliser comme un semi-remorque dans le spectre thermique lorsqu'il utilise des mélanges de thorium-plutonium ou de thorium-uranium-233. Le recyclage de l'uranium-233 issu du thorium — scénario qui devient plus attrayant lorsqu'il est couplé au retraitement — pourrait multiplier l'énergie efficace extraite d'une unité de ressources naturelles par ordre de grandeur. Les concepts avancés de combustible qui corecyclent le thorium et le plutonium dans un seul noyau CANDU font l'objet d'une étude de calcul dans des institutions comme le Centre de recherche atomique de Bhabha (BARC) en Inde et Chalk River au Canada.

Rôle des petits réacteurs modulaires (RMR) et des réacteurs avancés

La nouvelle catégorie de petits réacteurs modulaires, dont plusieurs sont conçus comme des concepts de combustible lourd refroidi ou fondu, peut fournir une nouvelle voie de déploiement pour le combustible CANDU recyclé. Certains modèles de RSM ciblent explicitement la capacité de consommer du combustible usé provenant de grandes installations, agissant ainsi comme des « brûleurs à déchets ». Par exemple, le ], un réacteur à sel fondu intégré (RSM) d'énergie terrestre, peut être alimenté par des oxydes transuraniques récupérés du combustible usé de CANDU. Une flotte de RSM de source nucléaire mixte de source nucléaire (CANDU) co-installée avec une installation de traitement de pyrotraitement centralisée pourrait réduire de façon considérable le volume et la toxicité des déchets nécessitant une élimination finale.

Politiques et coopération internationale

Les approches multinationales, telles que les centres régionaux de cycle du combustible sous la supervision de l'AIEA, pourraient permettre de répartir les coûts et les risques de prolifération tout en donnant aux pays qui exploitent le combustible CANDU un accès plus restreint aux avantages du recyclage sans se lancer dans des programmes nationaux sensibles. L'Association nucléaire mondiale a défendu le concept de «Centres de cycle du combustible» qui mettent en commun les capacités de retraitement et de fabrication au-delà des frontières, avec plusieurs propositions en cours de discussion en Asie du Sud-Est et en Europe de l'Est. Des normes réglementaires harmonisées pour le transport, la fabrication et l'irradiation des combustibles recyclés permettraient de réduire les doubles emplois et d'accélérer les licences—l'Organisation internationale de normalisation (ISO) a déjà commencé à travailler sur une norme commune pour les granulés de combustible du DUPIC. Enfin, un consensus sociétal durable exigera que les gouvernements, les services publics et les organismes de recherche formulent une vision claire et à long terme dans laquelle le recyclage n'est pas conçu comme une fin en soi, mais comme une composante d'un engagement plus large en faveur d'une économie circulaire dans le nucléaire.

En fin de compte, la faisabilité technique du recyclage du combustible du réacteur CANDU a été démontrée par de multiples voies, de PUREX et MOX au DUPIC et au pyrotraitement. Le défi consiste maintenant à concevoir des systèmes rentables et résistant à la prolifération qui peuvent fonctionner de façon fiable dans des conditions commerciales tout en gagnant la confiance du public. Les progrès dans ces domaines permettront de déterminer si les parcs CANDU peuvent évoluer de consommateurs efficaces d'uranium naturel à la pierre angulaire d'un cycle de combustible nucléaire véritablement durable.