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Réacteurs CANDU



Des réacteurs canadiens à uranium naturel et eau lourde

Laboratoires de Chalk River
C’est sur le site de à Chalk River, au bord de la rivière Otawa, que fut construite à partir de 1945 la grande pile à eau lourde qui fut à l’origine du développement par le Canada des réacteurs CANDU, dont le nom signifie CANada Deutérium Uranium.
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La filière CANDU est une filière développée depuis les années 1950 au Canada. Son origine remonte à l’accord signé le 19 avril 1943 au Québec fixant la collaboration nucléaire entre les Etats-Unis et la Grande-Bretagne durant la seconde guerre mondiale. Alors que le projet Manhattan bat son plein, les américains refusent de partager avec leur meilleur allié leurs recherches sur l’enrichissement de l’uranium et l’extraction du plutonium. Ils acceptent cependant au printemps 1944 la construction d’un grande pile à eau lourde qui serait le fruit d’une collaboration entre la Grande-Bretagne, les Etats-Unis et le Canada. La pile fut construite en deux ans à partir de 1945, dans un site magnifique et isolé, à Chalk River, au bord de la rivière Otawa.

Schéma d’un réacteur CANDU
On retrouve sur ce schéma les éléments classiques d’un réacteur, avec la production d’électricité à partir de chaleur. Mais l’eau chaude sous pression qui sort du réacteur vers le générateur de vapeur est de l’eau lourde. L’uranium qui entre dans le combustible est de l’uranium naturel, ce qui a rendu les CANDU attractifs pour les pays qui ne disposaient pas d’uranium enrichi. L’originalité est la présence d’une machine de chargement-déchargement qui permet de rentrer et de sortir des éléments du combustible sans avoir à arrêter le réacteur.
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Les réacteurs CANDU sont des réacteurs à eau lourde utilisant comme combustible de l’uranium naturel. Le recours à l’uranium naturel rendait cette filière attractive à l’époque où de nombreux pays ne disposaient pas d’uranium enrichi. La difficulté était d’avoir de l’eau lourde. Tous les réacteurs canadiens appartiennent à la filière CANDU qui fut exportée notamment en Inde et au Pakistan.

Les réacteurs CANDU utilisent l’eau lourde à la fois comme modérateur et fluide de refroidissement. Ils peuvent être pressurisés. L'eau lourde maintenue sous pression, comme dans un réacteur REP, peut atteindre sans bouillir des températures supérieures et évacuer ainsi plus de chaleur en dehors du cœur du réacteur. En 2011, 46 réacteurs à eau lourde pressurisée étaient en fonctionnement dans le monde, dont 11 en Inde.

Calandre et éléments combustible
L’enceinte qui contient les tubes de pression et le modérateur est appelé la calandre. Les tubes et le cœur du réacteur sont horizontaux. Une machine de chargement visite chacune des faces de la calandre, l’une pour le chargement, l’autre pour le déchargement permettant aux opérateurs d’introduire du combustible frais à chaque extrémité de canaux. De 6 à 10 éléments sont entrés et sortis chaque jour. Le ralentissement par l’eau lourde conduit à un cœur moins compact que celui des réacteurs à eau légère qui facilite l’accès de la machine de chargement-déchargement aux canaux de combustible.
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Une molécule d’eau lourde est une molécule d’eau dont chacun des protons des deux hydrogènes sont remplacés par un noyau de deutérium, constitué d’un proton et d’un neutron. L’eau lourde est, avec le graphite ultra-pur, le seul modérateur qui permette d’utiliser l’uranium naturel. Un réacteur utilisant ce combustible pauvre en uranium-235 fissile ne peut fonctionner qu’avec des neutrons de basse énergie, dits thermiques.

Le défi consiste à obtenir des neutrons thermiques avec le minimum de pertes lors des collisions qui ralentissent les neutrons. Un noyau de deutérium capture 600 fois moins les neutrons qu’un proton de l’hydrogène de l’eau, d'où l'usage de l'eau lourde comme ralentisseur.

Rechargement en continu
Le chargement en continu du combustible, une caractéristique des réacteurs CANDU, se fait canal par canal. Deux dispositifs identiques, télécommandés depuis la salle de contrôle, comportent un magasin capable de charger un tube de combustible neuf ou de décharger un tube de combustible usé. Une fois les deux dispositifs verrouillés aux deux bouts du canal choisi et mis en pression, les deux extrémités du sont ouvertes et un élément de combustible usé est remplacé par un de combustible neuf, un des dispositifs chargeant et l’autre déchargeant (le sens du chargement-déchargement est alterné entre canaux voisins)
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Le combustible à l’uranium naturel est rechargé à pleine puissance en continu, une faculté permise par la subdivision du cœur en plusieurs centaines de tubes. Ces tubes, composés de plusieurs éléments d’environ 20 kg et de 50 cm de long d’uranium naturel immergés dans de l’eau lourde de refroidissement sous pression. Chacun de ces tubes est entouré d’un tube externe également rempli d’eau lourde, mais à basse pression et température, jouant le rôle de modérateur.

Le chargement et le déchargement en continu du combustible est une des caractéristiques des réacteurs CANDU. Etant donné la pauvreté en isotope 235 fissile de l’uranium naturel, le cœur du réacteur est conçu pour être constamment rechargé en combustible neuf contrairement au cœur des réacteurs à eau légère comme les REP dont on remplace le combustible enrichi par tiers tous les ans. En théorie, un réacteur CANDU n’a pas besoin de s’arrêter.

Nés de l’idée de transformer l’uranium en plutonium-239 de qualité militaire, les réacteurs CANDU sont en principe proliférants. La faculté de pouvoir retirer à tout moment du combustible, permet de sortir des éléments peu irradiés dont le plutonium riche en iplutonium-239 est de qualité militaire. Ainsi, l’Inde et le Pakistan qui n’avaient pas signé le traité de non-prolifération et faisaient tourner leurs réacteurs CANDU à l’abri des inspections de l’AIEA avaient en principe cette possibilité . Ils possèdent aujourd'hui un arsenal nucléare. Dans des conditions normales d’exploitation, on laisse suffisamment de temps en réacteur les éléments de combustible pour que le plutonium qu'ils contiennent perde sa qualité militaire.