Réacteurs CANDU

Le réacteur CANDU (CANada Deuterium Uranium) est un réacteur à eau lourde sous pression (RELP) conçu par Laboratoires Nucléaires Canadiens dans les années 1950. Toutes les centrales nucléaires canadiennes sont de ce type. Trois de ces réacteurs sont en cours de remise à neuf (deux à la centrale Bruce A, qui devraient être remis en service en 2012, et un à Point Lepreau, qui devrait l’être en 2012).

L’eau lourde comme modérateur

Le réacteur CANDU utilise comme modérateur l’eau lourde, constituée de l’isotope lourd de l’hydrogène,t1ou deutérium, au lieu de l’hydrogène ordinaire, t2. La différence entre le deutérium et l’hydrogène tient au fait que le premier possède un neutron et un proton dans son noyau, alors que le second n’a qu’un proton. La plupart des propriétés physiques de l’eau lourde sont légèrement différentes de celles de l’eau ordinaire, mais il y a une différence importante : l’eau lourde n’absorbe pas facilement les neutrons, ce qui en fait un modérateur des plus efficaces.

Tableau comparatif des caractéristiques physiques de l’eau lourde et de l’eau ordinaire
Caractéristique
DO (eau lourde)
HO (eau ordinaire)
Point de congélation (⁰C)
3,82
0,00
Point d’ébullition (⁰C)
101,4
100,0
Densité(à 20⁰C, g/ml)
1,1056
0,9982
Température à la densité maximale (⁰C)
11,6
4,0
Viscosité (à 20⁰C, mPas)
1,25
1,005
Tension superficielle (à 25⁰C, µJ)
7,193
7,197
Chaleur latente de fusion (cal/mol)
1 515
1 436
Chaleur latente de vaporisation (cal/mol)
10 864
10 515
pH (à 25⁰C)
7,41 (parfois « pD »)
7,00

À l’état naturel, le deutérium est présent dans les sources d’hydrogène, mais en petite fraction de l’ordre de 0,015 % et à peine 1 molécule d’eau sur 3 200 environ est une molécule d’eau semi-lourde (DHO). On doit extraire l’eau lourde (D2O) de l’eau ordinaire pour l’utiliser dans les réacteurs CANDU.

Étant un réacteur à eau lourde sous pression, le CANDU utilise l’eau lourde comme modérateur. Il s’agit d’un avantage, car celle-ci absorbe moins de neutrons que l’eau ordinaire, permettant ainsi d’utiliser comme combustible l’uranium naturel (0.711 % de 235U) au lieu de l’uranium enrichi (de 2 à 5% 235U). L’uranium naturel coûte moins cher que l’uranium enrichi, mais il en faut un peu plus pour produire la même quantité d’énergie.

Les réacteurs CANDU tirent mieux parti de l’uranium que les réacteurs à uranium enrichi. Ils présentent cependant certains inconvénients : ils nécessitent un cœur plus volumineux et le coût de production de l’eau lourde est plus élevé (environ 20 % du coût en capital d’un réacteur).

Fonctionnement d’un réacteur CANDU

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Réacteur CANDU.

Un réacteur CANDU fonctionne de la même façon qu’un réacteur à eau sous pression (REP). Le caloporteur sous pression traverse les grappes de combustible pour les refroidir. L’eau chaude qui en résulte est ensuite acheminée vers un générateur de vapeur dans lequel elle cède sa chaleur à de l’eau ordinaire qu’elle fait bouillir. La vapeur ainsi produite sert à actionner des turbines qui entraînent un alternateur, lequel produit de l’électricité.

L’une des particularités des réacteurs CANDU tient au fait qu’ils permettent le rechargement de combustible en cours de fonctionnement. Les grappes de combustible sont placées dans des tubes horizontaux (appelés « tubes de force »), qui peuvent être chargés à distance d’un côté ou de l’autre pendant que le réacteur fonctionne. Il n’est donc pas nécessaire de prévoir l’arrêt du réacteur. Toutefois, la filière CANDU nécessite beaucoup plus de « plomberie » qu’un REP, car chaque tube de force est traversé par de l’eau lourde sous pression.

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Calandre.

La durée de vie d’une grappe de combustible dans un réacteur CANDU est de l’ordre d’un à deux ans. Lors du rechargement, les grappes de combustible neuf sont chargées d’un côté pendant que les grappes de combustible irradié sont expulsées de l’autre. La photo de gauche prise durant un arrêt montre l’appareil utilisé pour charger les grappes.

Les réacteurs CANDU de nouvelle génération

Le Canada est un chef de file de la recherche-développement nucléaire à des fins pacifiques et contribue ainsi à la conception de deux modèles de réacteurs nucléaires novateurs de la prochaine génération.

CANDU 6 évolué

Doté d’une puissance de 700 MWe, le CANDU 6 évolué (EC6) est un réacteur de 3e génération qui s’inspire du réacteur très efficace CANDU 6. Les nombreuses améliorations apportées au chapitre de la sûreté en font un réacteur conforme aux normes canadiens et internationales les plus récentes.

Le réacteur EC6 utilise de l’uranium naturel comme combustible ainsi que de l’eau lourde comme modérateur et comme caloporteur dans des tubes sous pression. Il peut être rechargé en marche et affiche pour sa durée de vie l’un des facteurs de charge les plus élevés parmi les réacteurs existants dans le monde.

Ces caractéristiques font de l’EC6 un équipement tout indiqué pour les réseaux électriques de petite ou de moyenne taille.

Réacteur CANDU à cycle de combustible avancé

Le réacteur CANDU à cycle de combustible avancé (AFCR ‑ Advanced Fuel CANDU reactor) est un réacteur évolutif de 3e génération de 700 MWe faisant fond sur le grand succès des réacteurs CANDU 6 et CANDU 6 évolué (EC6) et intégrant plusieurs adaptations destinées à répondre aux normes canadiennes et internationales les plus récentes.

La polyvalence de l’AFCR permet d’utiliser différents types de combustible, notamment de l’uranium recyclé ou du thorium. Ce réacteur modéré et refroidi à l’eau lourde comporte des tubes de force.

Comme tous les autres réacteurs CANDU, il peut être rechargé en marche et affiche un facteur de charge sur sa durée de vie parmi les plus élevés dans le monde.

Sources :

Chris Waltham, An Early History of Heavy Water, Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia, juin 2002. http://arxiv.org/PS_cache/physics/pdf/0206/0206076v1.pdf.
Hans Tammemagi et David Jackson, Unlocking The Atom: The Canadian Book on Nuclear Technology, McMaster University Press, 2002, p. 73-88.
Images de l’ANC.