Programme national des technologies énergétiques de quatrième génération – Priorités de recherche et développement 2012-2016

Le programme national des technologies de Génération IV a été lancé en 2006 par Ressources naturelles Canada (RNCan) pour appuyer la recherche et le développement (R et D) de collaboration multilatérale pour les systèmes énergétiques de la prochaine génération (« Génération IV ») par l'entremise du Forum international Génération IV (GIF). En 2001, dix pays, dont le Canada, ont mis sur pied le GIF pour développer en collaboration les systèmes énergétiques nucléaires Génération IV. Le GIF a endossé six systèmes énergétiques nucléaires (connus sous le nom de carte routière technologique, cf.  Technology Roadmap) pour le développement des systèmes de quatrième génération. Le Canada a décidé d'appuyer deux de ces concepts, soit le réacteur refroidi à l'eau supercritique (RESC) et le réacteur à très haute température (RTHT). En novembre 2006, RNCan a signé deux ententes avec le GIF pour la collaboration multilatérale pour la R et D des systèmes de RESC et de RTHT. Suite à ces deux ententes, le Canada a signé les ententes de projets suivantes qui mettent en lumière la R et D que le Canada planifie d’entreprendre pour soutenir ces systèmes :

• Entente de projet sur la thermohydraulique et la sûreté du RESC
• Entente de projet sur les matériaux et la chimie du RESC
• Entente de projet sur la production d’hydrogène par les RTHT
• Entente de projet sur les matériaux des RTHT

Le RESC constitue une évolution naturelle du concept d’énergie nucléaire canadien, issu des connaissances et de l’expertise considérables acquises grâce au développement et à la mise en service des réacteurs CANDU au cours des quatre dernières décennies. Par conséquent, les subventions de technologies énergétiques de quatrième génération CRSNG-RNCan-EACL viseront principalement à appuyer la R et D du RESC. Voici une brève description des priorités de R et D.

RESC

La contribution canadienne à la collaboration multilatérale et internationale en R et D pour le RESC par l’entremise du GIF est exposée dans le Plan de recherche du système RESC du GIF. Les chercheurs des universités canadiennes peuvent participer aux priorités principales en R et D décrites ci-dessous.

1. Matériaux et chimie du RESC

L’identification de matériaux appropriés pour les composants internes et externes du cœur et la spécification d’une stratégie appropriée pour le contrôle de la chimie afin de réduire au minimum la dégradation de ces matériaux constituent deux des principaux défis posés par le développement du RESC. Selon les données disponibles, il n'existe à l'heure actuelle aucun alliage ayant subi assez d'essais pour garantir sa performance dans un RESC. L’amélioration des connaissances relatives aux procédés chimiques de l’eau supercritique représente également un défi important. Le changement marqué de densité de l’eau supercritique au point critique s’accompagne de modifications remarquables en ce qui concerne les propriétés chimiques. Ces difficultés sont exacerbées par la radiolyse qui se produit au cœur du réacteur et qui, d'après les études préliminaires, s'avère très différente de ce que l'on aurait pu prévoir à partir des extrapolations simplistes observées dans les réacteurs classiques refroidis à l'eau.

L’effort canadien dans le cadre du développement international du RESC portera essentiellement sur la R et D pour mettre au point un réacteur à tubes de force fonctionnant avec une température de sortie allant jusqu’à 625 ^oC. On lancera des demandes de propositions dans les secteurs suivants.

1.1 Matériaux

Il faut poursuivre les recherches afin de définir et de tester les classes de matériaux pouvant être utilisées pour les composants internes et externes au cœur du réacteur, notamment la conception d'un tube de combustible ayant une sortie allant jusqu'à 625 ^oC et d'un matériel de gaine de combustible approprié – tolérant jusqu'à 850 ^oC durant le fonctionnement normal et plus durant les courtes périodes de fonctionnement perturbé. On s’attend à avoir à effectuer des modifications au recouvrement ou à la surface de certains éléments internes clés du cœur (p. ex., le gainage du combustible) et externes (p. ex., les distributeurs de sortie) afin de minimiser la dégradation. Il faut tester la résistance des matériaux à l’égard de certains critères clés comme la corrosion et la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC), ainsi que des propriétés mécaniques comme le fluage. Les effets de l’irradiation sur les propriétés des matériaux du cœur doivent aussi être évalués. Le but du programme est de définir les matériaux appropriés internes et externes au cœur nécessaires à la conception du tube de force du RESC. On prendra en compte des propositions d’études expérimentales ainsi que d’études de modélisation. Tout programme d’essais devrait être centré sur des essais à des températures allant de 500 à 850 ^oC.

1.2 Chimie

Les recherches permettront de définir la chimie de l'eau adéquate pour réduire au minimum le taux de corrosion et la fissuration par corrosion sous contrainte, ainsi que le dépôt de produits sur les surfaces internes (p. ex., la gaine du combustible) et externes du cœur (p. ex., la tuyauterie et les pales de turbines). Les secteurs clés comprennent : le transport et le dépôt de produits de la corrosion, ainsi qu’une connaissance accrue de la radiolyse dans des conditions de l’eau supercritique et de l’effet des produits de la radiolyse sur la corrosion et la FCC. Le but du programme est de définir la chimie de l’eau et la maîtrise des propriétés chimiques nécessaires à la conception du tube de force du RESC. On tiendra compte de propositions d’études expérimentales et de modélisation.

Priorités de R et D en ce qui concerne les matériaux et la chimie du RESC

En résumé, les domaines prioritaires en matière de R et D sur les matériaux et la chimie du RESC sont, sans s’y limiter, les suivants :

• Performance des alliages pour composants internes et externes au cœur dans de l’eau supercritique;
• Comportement sous irradiation des alliages pour composants internes au cœur;
• Études des mécanismes de corrosion dans de l’eau supercritique;
• Développement d’isolant pour tube de combustible et performance dans de l’eau supercritique;
• Modification de surface, y compris les revêtements;
• Matériaux pour les procédés de production d’hydrogène;
• Radiolyse de l’eau;
• Produit de la corrosion;
• Contrôle et surveillance de la chimie.

2. Thermohydraulique et sûreté du RESC

Lors de la conception du réacteur à refroidissement à l'eau supercritique (RESC) canadien, un certain nombre d'enjeux relatifs à la thermohydraulique et à la sûreté ont été cernés. Certains de ces enjeux sont génériques (bien que plus complexes dans le cas du RESC que pour les réacteurs existants à cause des conditions de fonctionnement extrêmes); d’autres sont particulières au RESC. La résolution de ces enjeux nécessite d’importants programmes de recherche qui fourniront des données expérimentales et des modèles analytiques. Les résultats de la recherche de ces programmes aideraient à améliorer la connaissance des phénomènes et à accroître le nombre d’outils d’analyse pour appuyer les analyses de conception et de sûreté. Les principaux secteurs d’intérêt de ce projet sont décrits plus bas et les domaines de R et D prioritaires sont présentés ensuite.

2.1  Thermohydraulique du RESC

L’objectif principal de la recherche en thermohydraulique est de contribuer à l’établissement de la puissance d’exploitation maximale dans des conditions normales d’exploitation pour une capacité de production potentielle. Ceci requiert des données sur le transfert de chaleur du combustible vers le caloporteur et sur les résistances hydrauliques du combustible et du tube du circuit de transport de la chaleur. La compréhension des caractéristiques de transfert de chaleur du combustible au caloporteur facilite les prévisions ayant trait aux gaines et aux températures du combustible, qui ont été sélectionnées comme critères de sûreté pour le combustible. La détermination des pertes de pression dans le circuit de transport de la chaleur permet l’établissement des exigences sur le débit dans le cœur, la puissance de la pompe et l’énergie. À ce stade, le calcul de la perte de pression par friction est le principal centre d’intérêt puisque les dispositifs d’espacement pour les crayons de combustible n’ont pas été finalisés. D’après des évaluations préliminaires, le choix du modèle de perte de pression par friction a peu d’incidence sur le calcul global de la perte de pression. La perte de pression dans un flux supercritique n’est donc pas considérée comme un élément de grande priorité.

Pour maximiser la puissance de sortie et la marge de sûreté du RESC canadien, il faut une conception de combustible bien équilibrée. Des outils analytiques (comme des codes de sous-canaux) seront appliqués pour l’optimisation combustible/géométrie afin d’améliorer les caractéristiques de sûreté du RESC. Les codes actuels de sous-canaux sont principalement valides pour des analyses de flux sous-critique. L’extension de ces codes à des analyses de flux supercritique nécessitera le développement de relations de mise à l’arrêt applicables à des flux sous-critiques et supercritiques.

2.2  Sûreté du RESC

L’établissement de paramètres d’exploitation sécuritaire pour le démarrage et l’arrêt, l’exploitation dans des conditions normales, des événements d’exploitation anticipés et des accidents graves est dicté par la recherche sur la sûreté. La température pic de gaine étant un critère pour la sûreté du combustible, des renseignements thermohydrauliques sont requis pour les analyses de sûreté. La thermohydraulique et la sûreté sont donc intimement liées et ont été incluses dans un même Conseil de gestion de projet (CGP) du GIF. 

En raison de la grande variation de la densité du fluide le long du circuit, les analyses sont réalisées au moyen d’outils thermohydrauliques d’analyse couplés à des codes informatiques de neutronique. Le développement de ces outils analytiques fait aussi partie de la recherche en thermohydraulique, la modélisation du flux au point de transition de l’état sous-critique à l’état supercritique représentant un défi en raison des variations brusques des propriétés du fluide dans cette région. Une méthode de prévision de la géométrie de la grappe pertinente est aussi requise pour les analyses de sûreté. Elle doit prendre en compte divers effets distincts pouvant être observés au cours de l’analyse.

Lors des phases d’exploitation normale, de démarrage et d’arrêt, la grande variation de la densité dans le circuit peut engendrer une instabilité, en particulier avec des circuits parallèles dans le cœur du réacteur. Des travaux de recherche sur la stabilité de circuits simples et de circuits en parallèle sont requis afin d’établir des conditions d’exploitation sécuritaires.

Pour la conception des vannes de décharge de vapeur et l’analyse d’accident avec perte de caloporteur due à une fissure importante, les caractéristiques de flux/état critique pour le flux supercritique doivent être comprises. Des données expérimentales sur diverses tailles et formes de fissure sont nécessaires pour la validation des modèles état critique/flux existants, qui sont tous basés sur des données de flux sous-critique.   

L’augmentation importante des conditions d’exploitation en comparaison de celles pour le parc actuel de réacteurs nécessite l’établissement de méthodes d’analyse d’accidents de base pertinents dus à la conception et d’analyse de sûreté. Tous les calculs sont réalisés au moyen d’ensembles d’outils analytiques pour la sûreté des réacteurs, qui doivent être étendus à des applications d’eau supercritique. Le développement de ces ensembles d’outils est requis afin de résoudre la possible instabilité numérique au point de transition de l’état sous-critique à l’état supercritique.

L’élimination potentielle de la fusion du cœur lors de la phase de refroidissement à long terme d’un événement de perte de caloporteur due à une importante fissure constitue une des caractéristiques importantes de la sûreté améliorée du RESC canadien. L’obtention de cette caractéristique nécessite le développement d’un circuit à haute efficacité couplé au système passif de refroidissement du modérateur. Les conceptions pré–conceptuelles du circuit à haute efficacité et du système passif de refroidissement du modérateur ont été achevées dans le cadre des subventions de la phase I. Des analyses de confirmation sont requises pour ces conceptions afin de finaliser le concept.

Priorités de R et D en ce qui concerne la thermohydraulique et la sûreté du RESC

En résumé, les domaines d’intérêt prioritaire en matière de R et D sur la thermohydraulique et la sûreté du RESC sont, sans s’y limiter, les suivants :

• Transfert de chaleur :
  • Données expérimentales sur le transfert de chaleur et les pertes de pression dans les grappes (ou les sous-assemblages), avec flux verticaux vers le bas et vers le haut dans des conditions d’équilibre pour le développement de corrélations et la validation;
  • Données expérimentales sur le transfert de chaleur dans les grappes (ou les sous-assemblages), avec flux verticaux vers le bas et vers le haut dans des conditions transitoires (pression, flux ou puissance);
  • Mesures de turbulence dans les tubes et les sous-assemblages des grappes avec flux verticaux vers le bas et vers le haut;
  • Examen de l’effet d’espaceurs enveloppés dans un fil sur le transfert de chaleur à l’état supercritique dans une géométrie pertinente de grappe avec flux verticaux vers le bas et vers le haut;
  • Méthodes de prédiction pour le transfert de chaleur à l’état supercritique dans des sous-circuits (portant sur des effets distincts comme la taille des entretoises et des espacements) avec flux verticaux vers le bas et vers le haut;
  • Établissement de modèles de mélange turbulent pour les codes de sous–circuit;
  • Méthodes de prédiction pour le transfert de chaleur à l’état supercritique avec une géométrie de grappe pertinente;
  • Modèles de prédiction pour le facteur de friction avec une géométrie de grappe pertinente;
  • Calculs couplés de thermohydraulique et de neutronique pour une optimisation de la géométrie du combustible.
• Flux critique et instabilité :
  • Données expérimentales sur le flux critique pour diverses configurations de buse de décharge;
  • Développement d’un modèle état critique/flux pour des applications de flux supercritique;
  • Données expérimentales sur la stabilité avec flux verticaux vers le bas et vers le haut dans des circuits simples ou parallèles;
  • Développement de modèles de stabilité linéaires et non linéaires pour l’établissement de régions d’exploitation sécuritaires.
• Exigences en matière de sûreté et évaluation :
  • Couplage des analyses thermohydrauliques et neutroniques pour divers scénarios d’accidents;
  • Établissement de stratégie, avec soutien analytique, pour le démarrage et l’arrêt du RESC canadien;
  • Développement de stratégies pour la gestion d’accidents graves;
  • Développement de conceptions de systèmes de sûreté et de protection pour le réacteur.
• Système passif de refroidissement du modérateur (SPRM) :
  • Couplage des analyses thermohydrauliques du flux du modérateur dans la calandre et dans la boucle de refroidissement du modérateur.

3.  Combustible pour le RESC et physique du RESC

Le concept de RESC canadien cherche à apporter des améliorations à tous les paramètres du GIF : sûreté, économie, viabilité et résistance à la prolifération. Afin d’y arriver, le Canada a choisi d’étudier un cycle de combustible basé sur le thorium. Les travaux sur le combustible et la physique sont intimement liés à la conception globale du RESC. Les travaux de recherche canadiens sont donc centrés sur les problèmes de combustible et de physique particuliers à la conception des tubes de force du RESC menée au Canada.

3.1  Combustible

La recherche sur la conception du combustible permet de s’assurer que l’énergie produite à partir du combustible est transférée de manière sécuritaire et efficace vers le caloporteur et constitue la première ligne de défense contre le rejet de produits de fission en cas de scénarios d’accidents postulés. Elle couvre tous les aspects, y compris la matière combustible, la pastille combustible, et l’assemblage global du combustible pour maintenir l’intégrité mécanique et thermique. De plus, la conception finale du combustible doit être compatible avec les systèmes aux interfaces (comme l’appareil pour renouveler le combustible) et doit résister aux conditions environnementales sévères et à la chimie du caloporteur pendant l’exploitation normale et dans le cadre de scénarios d’accidents.

3.2  Physique

La modélisation de la physique et la simulation du réacteur sont utilisées pour évaluer la propriété la plus fondamentale de tout réacteur nucléaire, à savoir sa capacité à résister à une réaction nucléaire en chaîne. Diverses options de conception de RESC étant étudiées et optimisées, des codes de physique sont utilisés pour évaluer l’incidence de ces options sur la sûreté (p. ex., la réactivité au vide du caloporteur) et l’économie (p. ex., l’utilisation de matière fissile). L’objectif de la modélisation physique est ensuite d’aider à déterminer les options de conception qui maximisent la sûreté et la rentabilité du RESC. Le RESC canadien est différent des réacteurs CANDU au regard de plusieurs aspects importants. Des travaux de recherche uniques en physique sont nécessaires pour la conception du réacteur et servent à d’autres domaines de recherche (comme la conception du combustible et la thermohydraulique). Les matériaux internes au cœur devant résister à l’environnement physique et chimique sévère du cœur, qui pourrait avoir un impact négatif sur l’utilisation de matière fissile, et la mise en œuvre d’un système de rechargement du combustible par lot éliminant la souplesse du rechargement du combustible réacteur en marche constituent deux des principaux défis posés par la physique du RESC. En conséquence, la modélisation de la physique est essentielle à l’optimisation de la composition du combustible et du pas du réseau, compensant les pertes dues aux modifications des matériaux internes au cœur et au système de renouvellement du combustible.

Priorités de R et D en ce qui concerne le combustible pour le RESC et la physique du RESC

En résumé, les domaines d’intérêt prioritaire en matière de R et D sur le combustible et la physique du RESC sont, sans s’y limiter, les suivants :

• Évaluation de la performance du combustible, y compris des cycles de rechange;
• Calcul sur la thermochimie du combustible;
• Étude de gestion du combustible;
• Analyse de la sûreté du combustible;
• Étude de la capacité de production du combustible;
• Développement d’une suite de codes pour le combustible et évaluation de son applicabilité;
• Évaluation de la criticité du combustible;
• Manipulation du combustible, y compris son stockage à long terme;
• Établissement d’une conception de combustible et essai en dehors du réacteur;
• Essai dans le réacteur pour confirmer la performance;
• Quantification de critères de défaillance du combustible ou établissement de critères d’acceptation du combustible;
• Conductivité thermique du combustible et mesures de paramètres de fusion;
• RESC 3D de référence et essais de la sensibilité du modèle et des données;
• Méthodes pour le contrôle et la suppression de la réactivité;
• Applicabilité des données actuelles de section du thorium, du plutonium et de l’U 233 aux conditions d’exploitation du RESC;
• Sensibilité des espèces transitoires aux fractions de neutrons retardés;
• Évaluation de phénomènes de matrice spécifiques au RESC;
• Applicabilité des méthodes actuelles de modélisation à la modélisation des espèces/phénomènes transitoires.

4.  Conception, intégration et évaluation du RESC

Deux concepts de RESC (c.-à-d. réacteur à cuve sous pression et réacteur à tubes de force) sont étudiés dans le cadre du Plan de recherche sur les systèmes de RESC du GIF. Le Canada est le leader mondial en technologie des réacteurs à tubes de force et s’est donc logiquement concentré sur le concept de RESC à tubes de force, alors que d’autres participants du GIF (Euratom et le Japon) ont concentré leurs efforts sur le concept de réacteur à cuve sous pression (qui est une extension des concepts actuels de réacteur à eau légère). La plupart des travaux fondamentaux de R et D réalisés dans le cadre des projets de RESC du GIF sont communs aux deux concepts. Toutefois, chaque participant au RESC du GIF est responsable du travail de conception particulière à son propre concept et, en conséquence, les renseignements détaillés sur la conception ne seront pas divulgués au GIF en raison de leur nature commerciale. Le Canada réalise donc la plupart de ses travaux de recherche afin de favoriser le développement d’une conception de réacteur à tubes de force.

Priorités de R et D en ce qui concerne la conception, l’intégration et l’évaluation du RESC

Les domaines d’intérêt prioritaire en matière de recherche sur la conception et le développement sont, sans s’y limiter, les suivants :

• Évaluation de l’intégrité structurelle du cœur du réacteur aux fins suivantes :
  • Optimiser la conception du plénum d’entrée et réduire au minimum l’épaisseur des parois;
  • Optimiser l’épaisseur des plaques tubulaires;
  • Évaluer l’expansion thermique et les forces au niveau des connexions des circuits de combustible;
  • Évaluer les charges transitoires (fatigue) et les déviations.
• Meilleur transfert de chaleur du circuit de combustible en tenant compte de l’expansion thermique, des espacements et des contacts (exploitation normale);
• Transfert transitoire de chaleur du circuit de combustible à la suite d’un accident avec perte de caloporteur avec des espacements et des contacts;
• Application des outils de dynamique des fluides numérique à la conception des éléments du réacteur;
• Analyse DFN du plénum d’entrée et moyens de contrôler le débit dans les circuits de combustible (DFN et analyse du transfert de chaleur des circuits de combustible avec une attention particulière portée au flux dans l’isolateur poreux et aux espacements entre les éléments);
• Amélioration de la conception des circuits de combustible, en ciblant :
  • le refroidissement passif du modérateur,
  • l’objectif de non-fusion du cœur,
  • la capacité de détection de fuite dans les circuits de combustible.
• Cycle de vapeur avec option de réchauffage et son incidence sur la conception du cœur du réacteur;
• Instrumentation et contrôle;
• Systèmes et éléments pour la production d’hydrogène.

Liste des personnes-ressources

Le tableau suivant fournit la liste des experts dans chacun des domaines de R et D. Ces experts devraient être consultés pour toute question concernant l’élaboration de propositions. Les coordonnées des personnes-ressources du Programme national des technologies de quatrième génération figurent également dans ce tableau.