La tomographie par rayons X permet de garantir que les combustibles, les matériaux et les composants fonctionneront de manière sûre, efficace et efficiente dans l’environnement extrême d’un réacteur nucléaire.
Reeghan Osmond est une chercheuse en science des combustibles spécialisée dans l’imagerie par tomographie par rayons X aux Laboratoires nucléaires canadiens. On la voit ici tenant un flacon contenant des particules de combustible TRISO de substitution.
Reeghan Osmond a l’œil pour les choses minuscules.
Lorsqu’elle était enfant, elle était attirée par les petits détails que la plupart négligeaient : les pattes agitées d’une coccinelle, l’étincelle laissée par un projet artistique, les circuits en forme de labyrinthe gravés dans une puce électronique de la taille d’un ongle. Aujourd’hui, elle étudie un type de combustible nucléaire qui n’est pas plus gros qu’une graine de pavot, travaillant comme chercheuse en science des combustibles aux Laboratoires nucléaires canadiens (LNC).
Ces particules de combustible sont appelées « combustible isotrope à triple structure » (TRISO) et constituent le combustible nucléaire de choix pour plusieurs entreprises qui souhaitent construire des petits réacteurs modulaires (PRN) et des microréacteurs ici au Canada.
Cependant, le Canada n’a jamais utilisé ce type de combustible à l’échelle de réacteurs de démonstration ou commerciaux auparavant, notamment parce que celui-ci est conçu pour des réacteurs avancés qui n’ont pas encore été déployés ici. De nombreuses questions subsistent donc quant à la manière dont le pays pourrait utiliser ces minuscules billes d’1 millimètre de diamètre pour alimenter nos communautés en énergie.
Mme Osmond fait partie d’une équipe de plus de 30 chercheurs du laboratoire nucléaire national du Canada, qui recueille les données nécessaires pour éclairer les prochaines étapes du pays concernant le combustible TRISO et le rôle qu’il pourrait jouer dans l’atteinte des objectifs de zéro émission nette d’ici 2050. Cette recherche aidera l’organisme fédéral de réglementation nucléaire, la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CCSN), à constituer une base de connaissances canadienne sur le combustible TRISO : comment le fabriquer, étudier ses propriétés, prouver son rendement dans les réacteurs dans des scénarios normaux et d’accident potentiel, et le gérer à la fin de son cycle de vie.
Une partie importante de ces recherches consiste à examiner de près l’intérieur de ces particules, qui ont à peu près la taille d’un grain de sable, sans pour autant les détruire dans le processus.
Et c’est là que Mme Osmond et les deux technologues de son laboratoire excellent.
« Tout comme un médecin peut utiliser une TDM pour comprendre ce qui se passe à l’intérieur du corps de son patient, nous pouvons utiliser la même technologie pour examiner l’intérieur des minuscules particules de combustible TRISO, sans pour autant les ouvrir et les endommager dans le processus », explique Mme Osmond.
Les chercheurs en combustibles avancés des LNC se préparent à scanner des particules de combustible TRISO de substitution à l’aide de l’appareil XCT. Sur la photo, on voit Reeghan Osmond, chercheuse en science des combustibles (à gauche), et Jason Budgell, technologue (à droite).
Le trio se spécialise dans une technique d’imagerie non destructive appelée tomographie par rayons X (XCT), qui utilise des rayons X pour « découper » un échantillon et en générer des milliers d’images en coupe transversale. La technologie informatique assemble ensuite ces images pour constituer un scan 3D complet de cet échantillon.
Dans le cadre de ses recherches sur le combustible TRISO, l’équipe analyse ces scans afin d’identifier et d’étudier les détails qui indiquent la qualité de fabrication du combustible avancé et ses performances potentielles dans un environnement de réacteur.
Le caractère unique des particules de combustible TRISO
Tout combustible nucléaire remplit la même fonction principale à l’intérieur d’un réacteur : produire de la chaleur qui peut ensuite être convertie en énergie nécessaire à la production d’électricité ou au chauffage.
Les pastilles de combustible CANDU® et les particules de combustible TRISO accomplissent cette tâche grâce à un processus appelé fission nucléaire, au cours duquel les neutrons présents dans un réacteur interagissent avec le combustible, provoquant la division des atomes d’uranium et libérant de l’énergie sous forme de chaleur et de « produits de fission », c’est-à-dire des résidus radioactifs issus de la division de ces atomes d’uranium. « Même si ces deux types de combustible nucléaire servent tous deux à produire de la chaleur, leur conception est différente », explique Mme Osmond.
Pour commencer, une pastille de combustible CANDU® est entièrement composée de dioxyde d’uranium solide, tandis que les particules de combustible TRISO ne contiennent qu’un « noyau » de combustible à base d’uranium en leur centre.
Et bien que le combustible nucléaire soit conçu pour agir comme la première des nombreuses barrières qui contiennent les produits de fission qu’il génère, ces deux types de combustible le font à des capacités différentes.
Pour le combustible CANDU®, les pastilles elles-mêmes sont considérées comme la première barrière, tandis que les gaines creuses en alliage de zirconium dans lesquelles elles sont empilées constituent la deuxième barrière. En comparaison, les particules TRISO contiennent à la fois la première et la deuxième barrière qui empêchent les produits de fission de s’échapper, le noyau d’uranium constituant la première barrière et les multiples revêtements qui l’entourent constituant la deuxième.
La « couche tampon », composée de carbone pyrolytique poreux, entoure directement le noyau du combustible et constitue une barrière résistante aux rayonnements, à la fois solide et flexible. Cette couche permet au combustible de se dilater et de générer des gaz pendant le processus de fission.
Une autre couche plus dense de carbone pyrolytique entoure cette couche tampon, renforçant la structure et empêchant les gaz de fission de se déplacer vers l’extérieur.
Elle est ensuite entourée d’une couche d’un composé céramique fréquemment utilisé dans la fabrication des gilets pare-balles, appelé carbure de silicium. Ce matériau céramique est extrêmement solide, durable et capable de résister aux dommages causés par les rayonnements, les conditions corrosives et les températures élevées. Il confère aux particules TRISO la résistance structurelle nécessaire pour rester intactes à l’intérieur d’un réacteur, et sert de « plaque de blindage » principale qui empêche les principaux produits de fission de s’échapper.
Et enfin, une autre couche de carbone pyrolytique dense. Cette couche protège non seulement le carbure de silicium, mais fournit également une surface qui peut se lier à une matrice graphitique, le matériau utilisé pour maintenir et façonner des milliers de particules en « compacts » plus pratiques en forme de pastilles ou en « galets » en forme de boules de billard.
Automatisation du processus d’analyse des images XCT
Bien qu’ils fournissent des informations extrêmement précieuses, les scans XCT du combustible TRISO, sous forme de particules, compactes ou de billes, doivent être minutieusement analysés afin d’identifier les détails importants qui indiquent comment le combustible se comporterait.
« C’est un processus qui demande beaucoup de travail et qui, par conséquent, prend beaucoup de temps », explique Mme Osmond.
Pour obtenir toutes les mesures que l’équipe recherche généralement dans un compact TRISO, comme la forme des noyaux de combustible et l’espacement entre chaque particule intégrée dans la matrice graphitique, par exemple, il faudrait au moins trois heures à un professionnel qualifié. Et cela n’inclut même pas le temps nécessaire pour tracer manuellement tous les points de données et compiler l’ensemble dans un rapport clair et précis.
C’est pourquoi Mme Osmond cherche à automatiser ce processus et à le rendre plus rapide.
Les chercheurs en combustibles avancés, Reeghan Osmond (à gauche) et Jason Budgell (à droite), préparant un scan XCT
Cet été, elle a testé avec succès le code Python qu’elle a développé qui examine une image XCT d’un compact TRISO et produit automatiquement un rapport avec les mesures clés nécessaires pour mieux comprendre la technique spécifique utilisée pour fabriquer le compact, la qualité de cette technique et les performances potentielles de ce compact dans un réacteur.
Et, grâce à la puissance de l’automatisation, il n’a fallu qu’environ 40 minutes pour générer le rapport, ce qui représente un gain de temps considérable par rapport aux trois heures habituelles. Ce succès précoce représente une étape clé vers une imagerie XCT plus rationalisée à l’appui de la recherche canadienne sur le combustible TRISO, et soutient l’effort international plus large en faveur d’une recherche efficace et stratégique sur les énergies propres à une époque où le changement climatique n’exige rien de moins.
« Le travail que nous accomplissons, que l’industrie nucléaire et la communauté scientifique accomplissent dans leur ensemble, a le potentiel de façonner ce à quoi ressemblera le reste de nos vies pour de nombreuses générations à venir. L’énergie propre revêt actuellement une grande importance, et c’est gratifiant de participer à un projet qui vise à rendre le monde plus propre, plus sûr et plus durable », déclare Mme Osmond.
Recherche sur le combustible TRISO aux Laboratoires nucléaires canadiens
Le programme de recherche sur le combustible TRISO des LNC continue de se développer depuis plus de quatre ans maintenant.
Grâce au soutien du Plan de travail fédéral en matière de science et technologie nucléaires (FNST) d’Énergie atomique du Canada limitée (EACL), les LNC ont rapidement élargi leurs capacités d’expérimentation et de modélisation dans le domaine du combustible TRISO, en s’appuyant sur ses huit décennies d’expertise dans le domaine plus large du combustible nucléaire.
Les efforts déployés par plus de 30 chercheurs des Laboratoires nucléaires canadiens ont donné lieu à de nouveaux dispositifs expérimentaux et protocoles d’essai, à des contributions qui ont permis de combler des lacunes dans les connaissances, ainsi qu’à des collaborations avec des universités canadiennes et d’autres partenaires internationaux, explique Cathy Thiriet, directrice technique de la recherche sur les combustibles et les matériaux avancés aux LNC.
« Le combustible TRISO est un élément fondamental des conceptions de réacteurs de nouvelle génération. Et ses caractéristiques de sécurité améliorées le rendent particulièrement idéal pour les petits réacteurs modulaires et les concepts de microréacteurs », explique Mme Thiriet, qui dirige le programme de recherche sur le combustible TRISO des LNC depuis sa création. « Je suis incroyablement fier de notre équipe talentueuse et enthousiaste, ainsi que des progrès remarquables que nous avons accomplis au cours des dernières années. C’est un honneur de diriger des recherches qui soutiennent directement les principales priorités du Canada. »
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.
