À l’intérieur de chaque réacteur nucléaire, un orchestre invisible de particules est à l’œuvre. Les neutrons entrent en collision avec des atomes lourds, provoquant leur fission dans une réaction en chaîne qui alimente les villes, produit des isotopes médicaux et stimule l’innovation nucléaire. Afin de maintenir la stabilité de cette réaction et de mieux en comprendre l’impact, les scientifiques se concentrent sur des détecteurs sensibles mesurant le flux de neutrons.
Les Laboratoires nucléaires canadiens (LNC) ont commencé à explorer cette recherche en 2022 afin de mieux comprendre comment ces minuscules détecteurs peuvent offrir une technologie de surveillance des vibrations en temps réel, susceptible de transformer la façon dont les réacteurs sont entretenus et surveillés, ici, au Canada et partout dans le monde, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité de l’industrie nucléaire.
Cela dit, le concept de surveillance en temps réel n’est pas nouveau, l’idée ayant été conceptualisée dans les années 1970. Cette période de prospérité de la science nucléaire a vu le réacteur CANDU™ atteindre une échelle commerciale, illuminant l’Ontario avec les réacteurs de Pickering et de Kincardine, le réacteur ZED-2 au sein de son centre de recherche de Chalk River Laboratories (CRL), ainsi que les bases du diagnostic moderne des réacteurs et de la surveillance en ligne lors de sa création. Depuis lors, l’industrie nucléaire recourt à la surveillance conventionnelle des vibrations, un processus mené lors d’essais fonctionnels à chaud, avant même que la fission n’ait lieu.
Qu’est-ce que les essais fonctionnels à chaud? Les essais fonctionnels à chaud font partie de la mise en service du réacteur lorsque les systèmes de refroidissement sont amenés à la température et à la pression de fonctionnement avant le démarrage, ce qui permet aux ingénieurs de vérifier les vibrations et les performances thermiques, sans qu’aucune réaction nucléaire ne se produise.
Aujourd’hui, des chercheurs tels que le Dr Salim El Bouzidi, ingénieur, et l’équipe de la section Dynamique, mesures et analyses de la division Ingénierie des fluides des LNC, grâce au financement du Plan de travail fédéral en science et technologie nucléaires d’Énergie atomique du Canada limitée (EACL), vont au-delà de cette méthode de surveillance conventionnelle et se lancent dans des expériences à l’intérieur des réacteurs qui permettront d’améliorer les techniques d’analyse du bruit neutronique pour la surveillance des vibrations.
Le Dr El Bouzidi explique : « Nous voulons doter nos parcs de réacteurs d’une nouvelle capacité de surveillance, non seulement au début de la vie d’un réacteur, mais aussi à mesure qu’il vieillit et évolue. Un réacteur évolue, par exemple, les canaux de combustible s’allongent et les entretoises se déplacent au fil du temps pendant le fonctionnement du réacteur; si l’on y réfléchit bien, ce sont de véritables organismes vivants. »
En menant cette recherche et en explorant de nouvelles façons de surveiller les réacteurs, l’équipe des LNC créera une nouvelle génération de technologies capables de résister à long terme aux conditions difficiles qui prévalent dans un réacteur. À l’intérieur du réacteur, les pompes puissantes et les flux de liquide de refroidissement génèrent de subtiles vibrations susceptibles de révéler les premiers signes d’usure ou de contrainte mécanique. Il est essentiel de comprendre ces vibrations pour détecter les défaillances potentielles avant qu’elles ne se produisent; toutefois, les capteurs de vibrations conventionnels ne sont pas conçus pour résister longtemps aux rayonnements intenses et à la chaleur du cœur d’un réacteur. Les opérateurs n’ont donc aucun moyen de surveiller en continu le « rythme cardiaque » interne d’un réacteur pendant son fonctionnement. Les recherches de l’équipe visent à changer cela en explorant de nouvelles façons d’écouter et d’interpréter les signaux naturels à l’intérieur d’un réacteur, offrant ainsi une voie vers une détection plus précoce des problèmes, un fonctionnement plus sûr et une durée de vie plus longue des équipements.
Pour mettre son idée à l’épreuve, l’équipe a conçu et mené une expérience unique en son genre au sein du réacteur de recherche ZED-2 des LCR. Sélectionné pour sa combinaison rare de flexibilité et d’échelle, le ZED-2 est suffisamment peu puissant pour que les chercheurs puissent pénétrer et reconfigurer le réacteur en toute sécurité, tout en étant suffisamment grand pour imiter les modèles complexes de flux neutronique que l’on trouve dans les réacteurs commerciaux. L’équipe a installé une plaque métallique sur mesure et un ensemble de vibrateurs miniatures directement sur l’un des canaux de combustible du réacteur afin de générer des vibrations précises et contrôlées dans des conditions de fonctionnement réelles. À l’aide des détecteurs de neutrons ultra-sensibles du réacteur, elle a mesuré la manière dont ces vibrations mécaniques se traduisaient par de minuscules fluctuations du champ neutronique, capturant ainsi la réponse du réacteur en temps réel. Ce travail a réuni des spécialistes des vibrations mécaniques, de la physique des réacteurs et de l’instrumentation, démontrant le niveau de précision et de collaboration interdisciplinaire nécessaire pour mener une expérience aussi délicate dans un environnement de réacteur en activité.
« Cette expérience a réuni des experts de différentes disciplines pour réaliser quelque chose qui n’avait jamais été tenté à cette échelle », a ajouté le Dr El Bouzidi. « En créant et en mesurant ces vibrations contrôlées à l’intérieur du ZED-2, nous avons pu observer la façon dont le réacteur réagit, ce qui nous a permis d’avoir un nouvel aperçu de l’état et du comportement d’un réacteur en fonctionnement. »
À partir de ces tests, l’équipe a confirmé que les détecteurs de neutrons déjà intégrés aux réacteurs peuvent faire plus que suivre le processus de fission : ils peuvent également servir de capteurs de vibrations extrêmement sensibles. En analysant les schémas subtils, ou « bruit neutronique », présents dans les signaux du détecteur, les chercheurs peuvent retracer la propagation des perturbations mécaniques au sein du système du réacteur. Cette avancée a conduit à l’élaboration d’une fonction de transfert, une sorte de carte mathématique qui montre comment une vibration connue dans une partie du réacteur se traduit par une réponse neutronique mesurable ailleurs. Ensemble, ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle méthode de surveillance continue de l’état physique d’un réacteur, sans ajouter de nouveaux instruments ni exposer des équipements sensibles à des conditions extrêmes.
« Nous avons démontré que les détecteurs sur lesquels nous nous appuyons déjà pour contrôler le réacteur peuvent également nous renseigner sur ses mouvements et ses réactions », ajoute le Dr Bhaskar Sur, scientifique principal au sein de l’équipe des carburants avancés et de la physique des réacteurs. « En comprenant comment une vibration se propage à travers le champ de neutrons à l’intérieur du réacteur, ce que nous appelons la fonction de transfert, nous pouvons commencer à interpréter les signaux naturels du réacteur comme des indicateurs de son état mécanique. »
Les résultats du ZED-2 sont plus qu’une simple preuve de concept : ils marquent une étape importante vers une nouvelle ère dans la surveillance des réacteurs. En définissant la façon dont les vibrations apparaissent dans les signaux neutroniques, cette recherche jette les bases d’une « ingénierie inverse » des événements de vibration dans les réacteurs nucléaires en service. À l’avenir, si un bruit neutronique inhabituel est détecté, les ingénieurs pourraient se servir de ces résultats pour remonter à une source spécifique en identifiant avec précision quel composant bouge, dans quelle mesure et pourquoi.
Au-delà de la réussite scientifique, les implications pour la sûreté et les performances des réacteurs sont considérables. Une surveillance continue à l’aide des détecteurs existants pourrait permettre aux opérateurs d’identifier les problèmes émergents bien avant qu’ils ne conduisent à l’usure, à des dommages ou à des temps d’arrêt coûteux. Cela se traduirait par une détection plus rapide, une réduction des arrêts imprévus et une meilleure compréhension de l’évolution des réacteurs au fil du temps, ce qui renforcerait, en fin de compte, les marges de sécurité et prolongerait la durée de vie des composants clés.
« Notre objectif est de transformer les instruments existants de chaque réacteur en une sorte de système de diagnostic intégré », explique M. Sur. « Grâce à cette recherche, nous nous rapprochons d’un avenir où les réacteurs pourront nous signaler en temps réel tout dysfonctionnement. »
L’expérience étant terminée, l’équipe se concentre désormais sur la modélisation et les applications concrètes. À partir des données recueillies, l’équipe des LNC élabore des modèles informatiques détaillés afin de prédire comment des modèles de vibration similaires se manifesteraient dans des réacteurs nucléaires à pleine échelle. Ces modèles aideront à traduire les résultats obtenus en laboratoire en outils que les services publics pourront utiliser pour interpréter les signaux de bruit neutronique issus de leurs propres centrales. D’autres collaborations avec des partenaires de l’industrie sont prévues afin de valider et d’affiner cette approche, ce qui permettra à cette recherche de se rapprocher davantage de sa mise en œuvre dans le parc de réacteurs CANDU™ du Canada et dans d’autres types de réacteurs à travers le monde.
Au-delà de ses avantages techniques immédiats, ce travail renforce la réputation du Canada en tant que chef de file de l’innovation et de la sécurité nucléaire. De la mise au point du réacteur CANDU™ aux progrès constants en matière de surveillance et d’entretien des réacteurs, les chercheurs canadiens continuent de repousser les limites du possible dans le domaine de la science nucléaire. En mettant au point de nouvelles méthodes pour « écouter » les réacteurs et comprendre leur comportement, l’équipe des LNC contribue à façonner la prochaine génération de systèmes nucléaires intelligents et axés sur les données, ce qui rendra les opérations plus sûres, plus efficaces et plus durables pour les décennies à venir. L’équipe de recherche est impatiente de poursuivre ce travail jusqu’en 2027, avec des essais supplémentaires sur d’autres réacteurs prévus pour l’année à venir.
« Le Canada a toujours été à l’avant-garde de la technologie nucléaire », explique le Dr El Bouzidi. « Ce projet s’inscrit dans la continuité de cet héritage en utilisant plus intelligemment les outils dont nous disposons déjà afin de rendre les réacteurs plus sûrs et plus fiables à l’avenir. »
« En fin de compte, ce travail consiste à apprendre à écouter », explique M. Sur. « Grâce au rythme subtil du bruit neutronique, les scientifiques des LNC découvrent les signaux qui ont toujours été présents, transformant des données invisibles en informations significatives. »
En écoutant le rythme cardiaque de nos réacteurs, cette recherche ouvre la voie à un avenir nucléaire plus sûr, plus intelligent et plus réactif, où chaque vibration raconte une histoire et chaque signal contribue à protéger les systèmes qui alimentent notre monde.
Cette recherche est financée par le plan de travail fédéral en science et technologie nucléaires (FNST) d’Énergie atomique du Canada limitée (EACL), qui met en relation les organisations, ministères et agences fédéraux avec l’expertise et les installations en science nucléaire dont nous disposons au sein des Laboratoires de Chalk River.
Dans le cadre de ce Plan de travail, les chercheurs des Laboratoires Nucléaires Canadiens (LNC) mènent des projets dans le but de soutenir les responsabilités et les priorités fondamentales du gouvernement canadien dans les domaines de la santé, de la sûreté et de la sécurité, de l’énergie et de l’environnement.
