Building better reactors for a nuclear renaissance

Un grand dôme en acier s’élève dans les airs ─ une large ouverture au sommet laisse entrer le soleil. À mi-chemin, une plateforme étoilée jette de longs tentacules qui s’accrochent aux murs dans toutes les directions.

La renaissance du nucléaire passe par de meilleurs réacteurs

Le Reactor Materials Testing Laboratory de la Queen’s University teste les matières utilisées dans la construction des réacteurs nucléaires, afin de les rendre plus sécuritaires et efficients
1 septembre 2015

Dans les grands établissements industriels, les réacteurs nucléaires ne semblent pas poser de défis majeurs. Ils nécessitent d’importantes structures d’appui pour soutenir les murs et sécuriser les zones où la température et la pression peuvent s’élever. Ils sont aussi dotés d’un système complexe de conduites traversant les sections qui se servent de liquide de refroidissement ou de combustible. Mais lorsque tout se passe bien, ce type d’infrastructure n’est pas exposé aux conditions extrêmes présentes dans certaines installations de fabrication d’envergure. Quand on le compare au fourneau ardent d’une fonderie d’acier, l’intérieur d’un réacteur peut sembler un environnement relativement serein.

Toutefois, le cœur d’un réacteur revêt un aspect extraordinaire : il héberge un intense rayonnement émis par une source de combustible, habituellement de l’uranium.

« Particules de haute énergie, les neutrons frappent la structure de toute matière qui les entoure, causant beaucoup de dommages, explique Mark Daymond. Ces dommages ont ensuite un effet sur les propriétés de la matière et entraînent habituellement une détérioration. »

Mark Daymond est titulaire d’une Chaire de recherche industrielle sur les matières nucléaires à la Queen’s University. Ce poste lui a fourni une occasion unique de chercher de meilleures façons d’étudier les effets du rayonnement sur les éléments structurels du cœur d’un réacteur. Ces travaux pourraient avoir une incidence notable sur les programmes d’entretien et le fonctionnement à long terme des réacteurs existants, notamment en réduisant leurs coûts d’exploitation et en prolongeant leur durée de service.

« Que ce soit dans une perspective financière ou environnementale, il est souhaitable de maintenir les réacteurs existants en activité le plus longtemps possible », dit-il, soulignant la renaissance internationale de l’énergie nucléaire dans un monde en quête d’une source d’électricité fiable et constante qui ne produit pratiquement pas d’émissions de dioxyde de carbone.

À cette fin, Mark Daymond et ses collègues de Queen’s ont mis au point un laboratoire qui constitue un important pas en avant dans l’analyse des matières utilisées dans la construction des installations nucléaires. Conçu il y a plus de dix ans par Rick Holt, aujourd’hui professeur émérite, le Reactor Materials Testing Laboratory (RTML) a ouvert ses portes en septembre 2015. Le bâtiment d’un étage, dont la taille s’apparente à celle d’un atelier automobile, est situé dans un parc industriel, à plusieurs kilomètres au nord du campus principal. Il abrite un puissant accélérateur linéaire, capable de produire un faisceau de protons de haute énergie.

Ce faisceau dirigé vers un petit échantillon de matières simule le comportement de cette même matière dans le cœur d’un réacteur nucléaire. Mais puisque le rayonnement résiduel émis est faible, il ne dure que quelques heures, ce qui signifie que les chercheurs du laboratoire peuvent poursuivre leurs activités sans recourir à une lourde infrastructure comme les cellules de haute activité manipulées à distance nécessaires pour se protéger s’ils prélevaient des échantillons hautement radioactifs directement d’un réacteur.

Lorsque les chercheurs travaillent à partir d’échantillons provenant d’un réacteur, ils sont limités par les conditions particulières de ce réacteur. Au laboratoire, ils peuvent procéder à un examen beaucoup plus approfondi en modifiant les nombreux différents facteurs en jeu.

« Il est possible de contrôler très précisément le rayonnement, précise Mark Daymond. On peut choisir l’énergie des particules et leurs nombres; on peut en régler le débit. Il est très facile de contrôler l’environnement, dont la contrainte, la température ou la corrosion. Et pourtant, le niveau global d’exposition aux radiations peut être nettement inférieur. »

Il existe très peu d’installations comme le Reactor Materials Testing Laboratory sur la planète. Et ’expérience acquise ailleurs a servi à sa création. En outre, l’établissement renferme deux microscopes électroniques puissants et d’autres instruments d’évaluation des matières afin de permettre aux chercheurs de réaliser immédiatement une analyse approfondie des échantillons irradiés.

Selon Mark Daymond, l’une des questions les plus pressantes auxquelles l’installation devra répondre est celle sur l’avenir des alliages de zirconium. Comme ces matières robustes n’absorbent pas les neutrons, elles sont devenues le principal matériau employé dans les conduites et les tuyaux qui acheminent l’eau et contiennent le combustible nucléaire dans le cœur des réacteurs. La gestion des cœurs des réacteurs – cette tâche essentielle qui consiste à s’assurer qu’ils continuent à fonctionner de manière sécuritaire et efficiente – repose sur les estimations existantes du comportement du zirconium dans cet environnement radioactif. Le laboratoire permettra de revoir ces estimations et de les rendre beaucoup plus précises et d’optimiser la sécurité et l’efficience de ces installations coûteuses.

À cet égard, le mandat est simple. « Irradier les matières n’est que la première étape, conclut Mark Daymond. On devra ensuite déterminer les effets de ce rayonnement. »