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FOREWORD
-- F O R E W O R D / P R É F A C E -THE ADVANCED CANDU REACTOR
LE RÉACTEUR CANDU AVANCÉ
(Articles - pgs. 341-396)
One day in the late fall of 1998, the then Vice-President of Marketing for Atomic
Energy of Canada Limited (Bill Hancox, now retired) came into my office with a
major challenge. At the time, he had been performing economic analyses of the
costs of power generation from various technologies, including current nuclear
plants, advanced nuclear plants, and natural gas. Nuclear power plants are characterized by high initial capital costs and low (and stable) operating costs.
Natural gas fuelled power plants, on the other hand, are characterized by relatively low capital costs, but high (and highly variable) operating costs. If the initial
capital cost of nuclear plants could be reduced, then the analyses showed that
even at relatively modest natural gas prices, nuclear power would be the least
expensive option for large-scale energy production. Also, some markets that were
previously dominated by government-owned utilities were changing and in the
future would require significant private sector investment. Government-based
utilities could take a very long-term approach to stable energy production and
could also access capital at rates that made large investments viable. However, to
attract more private financing, investors would have to achieve competitive
investment returns over a shorter period. On the basis of these analyses, the
next evolution of the CANDU® reactor would have to result in a cost reduction
of 30-40%.
How could this challenging market requirement be accomplished? All successful
high technology products evolve towards higher knowledge content and lower
material content. Substituting knowledge content for material content drives out
costs and improves performance. For example, the original computers based on
vacuum tubes were extremely large and expensive to operate. A modern laptop
based on integrated circuits is many orders of magnitude more powerful, smaller,
and cheaper, yet operates with higher reliability. The development of the integrated circuit required much deeper understanding of science than did the vacuum tube. Nuclear reactors are subject to the same rules for advancement.
The CANDU reactor has been under continuous development and evolution for
more than 50 years. The design is extremely flexible, and I felt that we had only
really scratched the surface of what the technology could achieve. A key reason
for the flexibility is that the heavy water moderated CANDU reactor was developed "from the physics up". By this I mean that the core had been designed to
optimize the performance of natural uranium fuel and to achieve high neutron
economy. So, a fundamental question was how to further evolve the physics of
the core and fuel design with a focus on cost reduction, while at the same time
further enhancing safety and operability.
We knew that to reduce costs, it would be necessary to remove one constraint –
the burning of natural uranium fuel. Owing to the relatively small fraction of fissile material in natural uranium, a relatively large reactor core is needed.
However, by switching to slightly enriched fuel, we could extract the same energy
output from a much smaller core. This, in turn, would allow almost everything
else in the reactor to be reduced in size and cost. Reducing the size also meant
that new construction techniques could be used that would further reduce costs.
Fortunately, we had been studying enriched fuels for many years in our R&D programs. Also, we had developed a new fuel design that was capable of using
many different fuel materials, including enriched uranium fuel. We decided to
The contents of this journal, including the views expressed above, do not necessarily represent the views or policies of the Canadian Association of Physicists.
Le contenu de cette revue, ainsi que les opinions exprimées ci-dessus, ne
représentent pas nécessairement les opinions et les politiques de l'Association
canadienne des physiciens et des physiciennes.
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PHYSICS
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PRÉFACE
build the next evolution of the CANDU reactor around this
enhanced fuel. The result of this work is called the Advanced
CANDU ReactorTM, or ACR-700TM. The "700" refers to the
approximate net electric power output from the plant in
megawatts.
This mini-theme issue (pgs. 341-396) will cover some of the
main characteristics of the Advanced CANDU Reactor. While
the entire scope of CANDU technology and development
would fill many textbooks and would cover virtually every discipline of engineering and the physical sciences, it is possible to
gain an overview of the technology by examining a few key
representative areas. For this issue, we have selected three key
topics – reactor physics and fuel, materials development, and
advanced technologies for life-cycle management.
The first paper by Torgerson, Hedges, and Duffey (pgs. 341354) is a general introduction to the CANDU reactor and to the
ACR-700. In particular, it summarizes the development philosophy behind the CANDU reactor and indicates the long-term
direction that development is taking. Since this paper will be
used as an "educational article" of general content, it also deals
briefly with other issues of interest for nuclear power, such as
waste management.
As I indicated above, the starting point for the CANDU technology is the physics of the core and fuel. The second paper by
Boczar, Rouben, Chan, Hastings, and Fehrenbach (pgs. 355368) summarizes the evolution of the methodology used for
reactor core physics analysis, and addresses the ACR-700 fuel
and core designs, as well as advanced fuel cycles. The paper
will point out the evolution of CANDU fuel through to the current ACR-700 design.
A key requirement for nuclear reactors is the high performance
of materials under reactor operating conditions. Indeed, most
reactor developers are of the opinion that future progress on
advancing reactor designs will depend primarily on the
advancements in materials. From a reactor physics and engineering point of view, we can develop highly efficient and costeffective designs by continual improvement of thermal efficiencies. However, these improvements will require higher temperatures and pressures, which, in turn, require more robust
materials. The third paper by Puls, Tapping, and Walker
(pgs. 369-382) discusses the advances that have been made over
the years and how these advances are being implemented in
the ACR-700.
Of course, developing a reactor with optimized physics, engineering, and materials is only part of the picture. Designers
and constructors have to translate the technology into an actual
plant, and utilities have to operate the reactor reliably and economically over several decades. The final paper, by Tapping,
Turner, Yu, Olmstead, and Speranzini (pgs. 383-396) looks at
some of the advanced technologies that have been developed
over the past few years that will be incorporated into the
design/build/operate life cycle of the ACR-700. These technologies include advanced design and construction methodologies, distributed control systems, and diagnostic tools that
incorporate data and models from AECL's extensive R&D program into a form that allows plant operators to evaluate the
state of their critical systems, structures, and components.
The CANDU reactor has been advanced over the years through
the contributions of many accomplished scientists and engi-
neers. Among these many contributors, the distinguished
physicist Wilfrid Bennett Lewis (1908-1987) is acknowledged as
the father of the CANDU technology. Dr. Lewis was responsible for the scientific direction of the CANDU development program from 1946 to 1973. We are still benefiting today from his
leadership and vision. The papers in this mini-theme issue of
Physics in Canada are dedicated to his memory.
1
2
CANDU is a registered trademark of Atomic Energy of Canada
Limited.
Advanced CANDU Reactor, ACR, and ACR-700 are trademarks of Atomic Energy of Canada Limited.
Dave Torgerson <[email protected]>
Senior Vice-President, Technology
Atomic Energy of Canada Limited
Guest Editor, Nov/Dec 2004 Physics in Canada
Reader’s comments on this editoarial are more than welcome.
====================
LE RÉACTEUR CANDU AVANCÉ
Un jour de la fin de l’automne 1998, le vice-président marketing
d’alors d’Énergie atomique du Canada limitée (Bill Hancox
aujourd’hui retraité) est entré dans mon bureau avec un défi
majeur. À cette époque, il avait analysé économiquement les
coûts de production de l’électricité à l’aide de diverses technologies, dont les centrales nucléaires en fonctionnement, les
centrales nucléaires avancées et le gaz naturel. Les centrales
nucléaires sont caractérisées par des coûts en capitaux initiaux
élevés et des coûts d’exploitation faibles (et stables). Par contre,
les centrales fonctionnant au gaz naturel sont caractérisées par
des coûts en capitaux initiaux relativement faibles et des coûts
d’exploitation élevés (et très variables). Si le coût en capital initial des centrales nucléaires pouvait être réduit, les analyses
montraient que même à des prix relativement bas du gaz
naturel, l’énergie nucléaire serait le choix le plus économique
pour la production d’électricité à grande échelle. De plus, certains marchés précédemment dominés par des services publics
étatisés changeaient et nécessiteraient dans le futur des
investissements importants par le secteur privé. Les services
publics étatisés pouvaient suivre une approche à très long
terme pour produire de l’électricité de façon stable; ils pouvaient aussi avoir accès à des capitaux à des coûts rendant
viables les grands investissements. Cependant, pour attirer le
financement privé, les investisseurs devraient obtenir un retour
sur l’investissement concurrentiel sur une période plus courte.
Sur la base de ces analyses, le coût de la prochaine génération
du réacteur CANDU®1 devrait diminuer de 30 à 40 %.
Comment répondre à ces exigences du marché? Tous les produits de haute technologie à succès évoluent vers un contenu
plus important en connaissances et plus faible en matériel. Le
remplacement du contenu matériel par des connaissances
réduit les coûts et améliore le rendement. À titre d’exemple, les
premiers ordinateurs comportant des tubes à vides étaient très
gros et leur exploitation était onéreuse. Un ordinateur portatif
moderne comportant des circuits intégrés est d’une puissance
de plusieurs ordres de grandeur supérieurs, plus petit et moins
onéreux, mais fonctionne avec une plus grande fiabilité. Le
développement d’un circuit intégré nécessitait des connaissances scientifiques beaucoup plus profondes que ne le
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demandait le tube à vide. Le développement des réacteurs
nucléaires suit les mêmes règles.
Le réacteur CANDU est en développement continu et son évolution se poursuit depuis plus de 50 ans. Sa conception est
extrêmement flexible et je pensais que nous n’avions qu’effleuré ce que la technologie pouvait nous permettre d’atteindre.
Une raison fondamentale de cette flexibilité est le fait que le
réacteur CANDU à l’eau lourde a été conçu à partir des études
physiques. Par ceci je veux dire que son cœur a été conçu pour
optimiser le rendement du combustible à l’uranium naturel et
atteindre une grande économie neutronique. Ainsi, une question fondamentale était comment poursuivre l’optimisation de
la physique du cœur et de la conception du combustible tout
en visant une réduction des coûts, ainsi qu’une amélioration de
la sécurité et de l’exploitabilité.
Nous savions que pour réduire les coûts, il faudrait éliminer
une contrainte : l’utilisation du combustible à l’uranium
naturel. En raison de la fraction relativement petite de matériau fissible dans l’uranium naturel, il faut que le cœur du réacteur soit relativement important. Cependant, en passant à un
combustible légèrement enrichi, nous pourrions extraire la
même énergie à partir d’un cœur beaucoup plus petit. De la
sorte, nous pourrions aussi réduire la taille et le coût de
presque tout ce qui se trouve dans le réacteur. La réduction de
la taille signifiait aussi qu’on pourrait utiliser de nouvelles
techniques de construction qui pouvaient à leur tour réduire les
coûts.
Heureusement, nous étudions les combustibles enrichis depuis
de nombreuses années dans le cadre de nos programmes de
recherche et développement. De plus, nous avions mis au
point une nouvelle conception de combustible capable d’utiliser de nombreux matériaux de combustible différents, y compris
le combustible à l’uranium enrichi. Nous avons décidé de construire la prochaine génération du réacteur CANDU autour de
ce combustible amélioré. Le résultat de ce travail porte le nom
de Réacteur CANDU avancéMC2ou RCA-700MC. Le 700 fait
référence à la puissance électrique nette approximative de la
centrale, exprimée en mégawatts.
Ce numéro mini-thème (pgs. 341-396) couvre certaines des
principales caractéristiques du réacteur CANDU avancé.
Couvrir la technologie et le développement du CANDU nécessiteraient de nombreux volumes et impliqueraient quasiment
toutes les disciplines de génie et de la physique; il est cependant possible d’avoir un aperçu de la technologie en examinant
quelques domaines clés représentatifs. Pour ce numéro, nous
avons choisi trois sujets clés : physique du réacteur et du combustible, développement des matériaux, et technologies
avancées pour la gestion du cycle de vie.
Le premier article, rédigé par Torgerson, Hedges et Duffey
(pgs. 341-354), est une introduction générale du réacteur
CANDU et du RCA-700. Il résume en particulier la philosophie
de développement derrière le réacteur CANDU et indique la
direction à long terme que prend son développement. Comme
cet article sert d’article pédagogique dont le contenu est
général, il traite aussi brièvement d’autres sujets d’intérêt relatifs à l’énergie nucléaire, comme la gestion des déchets.
Tel qu’indiqué ci-dessus, le point de départ de la technologie
du CANDU est la physique du cœur et du combustible. Le
deuxième article, rédigé par Boczar, Rouben, Chan, Hastings
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et Fehrenbach (pgs. 355-368), résume l’évolution de la
méthodologie mise en oeuvre pour analyser physiquement le
cœur du réacteur et traite de la conception du combustible et
du cœur du RCA-700, ainsi que des cycles du combustible
avancé. L’article souligne l’évolution du combustible CANDU
jusqu’à la conception du combustible RCA-700 actuelle.
Une exigence clé relative aux réacteurs nucléaires est le rendement élevé des matériaux dans les conditions de fonctionnement de ceux-ci. La plupart des concepteurs de réacteurs
pensent en fait que les progrès à venir dans la conception des
réacteurs de l’avenir dépenderont surtout des progrès réalisés
dans les matériaux. Du point de vue de la physique des réacteurs et du génie, nous pouvons concevoir des réacteurs très
efficaces et économiques par une amélioration continue de l’efficacité thermique. Cependant, ces améliorations exigeront des
températures et des pressions supérieures, ce qui nécessitera
des matériaux plus robustes. Le troisième article, rédigé par
Puls, Tapping et Walker (pgs. 369-382), traite des progrès réalisés au cours des années et de la façon dont ceux-ci sont mis en
oeuvre dans le RCA-700.
Bien sûr, le développement d’un réacteur par optimisation de la
physique, du génie et des matériaux ne représente qu’une
facette de l’ensemble. Les concepteurs et les constructeurs
doivent traduire la technologie en une centrale réelle et les services publics doivent exploiter le réacteur de façon fiable et
économique pendant plusieurs décennies. Le dernier article,
rédigé par Tapping, Turner, Yu, Olmstead et Speranzini
(pgs. 383-396), traite de certaines technologies de pointe qui ont
été mise au point pendant les dernières années et qui seront
incorporées dans le cycle de vie de la conception, de la construction et de l’exploitation du RCA-700. Ces technologies
incluent une conception et des méthodes de construction de
pointe, des systèmes de commande répartis et des outils de
diagnostic qui incorporent des données et des modèles du programme de R et D exhaustif de EACL sous une forme qui permet aux exploitants de la centrale d’évaluer l’état de leurs systèmes, structures et composants essentiels.
Le réacteur CANDU a été mis au point pendant des années
grâce à la contribution de nombreux scientifiques et ingénieurs
chevronnés. Parmi ces nombreux collaborateurs scientifiques,
le physicien distingué Wilfrid Bennett Lewis (1908-1987) est
reconnu comme le père de la technologie du CANDU. Le
docteur Lewis était responsable de la direction scientifique du
programme de développement du CANDU de 1946 à 1973.
Nous bénéficions encore aujourd’hui de son leadership et de sa
vision. Les articles de ce numéro mini-thème de La physique
au Canada sont dédiés à sa mémoire.
1
CANDU est une marque de commerce enregistrée d’Énergie
atomique du Canada limitée.
2 Réacteur CANDU avancé, RCA et RCA-700 sont des marques de
commerce d’Énergie atomique du Canada limitée.
Dave Torgerson <[email protected]>
Vice-Président supérieur, Technologie
Énergie atomique du Canada Limitée
Rédacteur invité, La Physique au Canada, Nov/Dec 2004
Les commentaires de nos lecteurs au sujet de cet éditorial sont
bienvenus.
NOTE: Le genre masculin n’a été utilisé que pour alléger le texte.
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