Il y a un ou deux ans, un article publié dans MesLNC décrivait notre capacité croissante, au sein du Secteur de l’élaboration du combustible, d’utiliser la fabrication additive afin de créer des combustibles nucléaires. L’utilisation de l’impression 3D ouvre une gamme entièrement nouvelle de possibilités pour les combustibles, avec de nouvelles géométries, de nouveaux matériaux, de nouveaux mélanges de combustibles et, comme nous le décrivons ci-dessous, la capacité d’intégrer d’autres matériaux au combustible lui-même.
Au cours de la dernière année, l’équipe des Laboratoires Nucléaires Canadiens (LNC) chargée de l’élaboration des combustibles a étudié par modélisation un concept consistant à intégrer des ailettes métalliques dans une pastille de combustible classique. Ces ailettes aideraient à transférer la chaleur du centre à l’extérieur du combustible, puis vers le caloporteur.
« Dans le combustible nucléaire destiné à la production d’énergie, l’un des facteurs limitants est connu sous le nom de “température centrale” », explique Andrew Bergeron, chimiste au Secteur de l’élaboration du combustible des LNC. « Comme son nom l’indique, la température centrale désigne la température du combustible en plein centre, dans l’axe horizontal de la pastille de combustible. Une température trop élevée au centre peut entraîner une défaillance prématurée du combustible; une température trop basse peut empêcher une utilisation efficace du combustible. »
Avant que le combustible ne soit fabriqué, et certainement avant qu’il ne soit placé dans un réacteur pour être mis à l’essai, il sera minutieusement examiné par modélisation. Il est très important de comprendre comment le combustible se comportera et l’incidence de ce comportement sur le transfert de chaleur. Bien que la fabrication du combustible semble l’objectif final, il reste beaucoup de travail à faire.
Pour cela, nous nous tournons vers l’expertise des LNC en matière de modélisation, bien développée au cours de nombreuses années de modélisation à l’appui du système de réacteur CANDU.
« Les modèles sont basés sur des modèles classiques de transfert thermique », explique Nana Ofori-Opoku, spécialiste des matériaux computationnels. « La partie vraiment intéressante consiste à mettre en œuvre la conception précise des composants internes et à apparier les propriétés particulières des différents matériaux. Pour ce faire, on construit le cadre de modélisation dans COMSOL, un logiciel de modélisation. »
Les résultats de la modélisation obtenus à ce jour montrent que l’on peut réduire considérablement la température du combustible grâce à l’intégration de ces ailettes métalliques. Il s’avère que nous pouvons réduire de 35 % la température maximale pour une densité de puissance linéaire élevée de 500 W/cm (condition de fonctionnement standard pour un réacteur nucléaire CANDU). La modélisation porte actuellement sur les pastilles classiques d’UO2 et de ThO2-UO2. Les métaux choisis pour les ailettes – molybdène et zirconium – ont été sélectionnés en raison de leur bonne conductivité thermique et de leur comptabilité démontrée avec le combustible d’UO2.
« Les premiers résultats de la modélisation portent sur un seul élément. En nous basant sur des considérations de symétrie, nous pensons que nos résultats devraient être représentatifs du comportement plus général d’une grappe de combustible. Plus nous parvenons à extraire efficacement la chaleur de cette grappe, plus nous pouvons générer de l’énergie en toute sécurité à l’intérieur du réacteur. »
Ainsi, la modélisation étant bien avancée, la prochaine étape consiste à commencer à fabriquer le combustible en tant que tel, un projet qui sera entrepris au cours de l’année prochaine. Pour cela, nous ferons appel à l’expertise en impression 3D de deux groupes des LNC. Le combustible sera imprimé dans nos laboratoires d’élaboration des combustibles, et les ailettes métalliques seront imprimées à l’aide d’une imprimante métallique commandée par notre équipe de mise au point de l’équipement mécanique.
« L’approche actuelle – que nous mettons toujours au point – consiste à ajouter une résine polymère lors du processus d’impression, à l’endroit où les ailettes seront placées, explique M. Bergeron. Nous allons ensuite fritter la résine, laissant un espace annulaire où nous pourrons insérer les ailettes. »
Bien que ces travaux portent sur les pastilles de combustible pour réacteurs CANDU, les résultats du projet auront des applications allant bien au-delà du parc de réacteurs à eau lourde. En principe, on pourrait étendre les travaux à la recherche sur les combustibles pour les réacteurs à eau sous pression (REP) et les réacteurs à eau bouillante (REB).
