APERÇU
L’Université de Toronto (l’Université), la plus grande université au Canada, est reconnue comme un leader mondial en recherche et en éducation, et de plus se classe régulièrement parmi les 25 premières universités au monde. Comptant près de 90 000 étudiants, dont 18 000 diplômés, et dotée de plus de 1,4 milliard de dollars en fonds annuels de recherche, l’Université possède l’envergure, la portée et les capacités voulues pour affronter les projets les plus importants et les plus ambitieux au monde.
Ressources naturelles Canada, en partenariat avec les provinces et territoires et les services publics, a récemment élaboré la Feuille de route d’un petit réacteur modulaire (PRM) canadien, qui décrit une série de recommandations d’établissement et de déploiement de la technologie PRM au pays. Donnant suite à la feuille de route, l’Université de Toronto est heureuse de contribuer à ce plan d’action pour les petits réacteurs modulaires canadiens, dans lequel l’Université pourrait puiser les possibilités de recherche et de développement, de partenariats avec de multiples intervenants, de création et diffusion des connaissances, et de formation d’une main-d’œuvre indépendante et engagée qui serait compétente en matière de PRM au Canada.
L’Université de Toronto s’est engagée, par de multiples travaux de recherche à sa faculté de sciences appliquées et d’ingénierie et dans l’ensemble de l’Université, à faire progresser les connaissances fondamentales et les technologies appliquées qui contribuent à la fois à réduire l’empreinte carbone du secteur énergétique canadien et à appuyer le passage à un avenir plus durable en matière de production d’électricité. Comme les PRM peuvent être appelés à jouer un rôle important dans ce futur bouquet énergétique, l’Université de Toronto désire contribuer à leur développement et déploiement. L’Université a de plus noué des liens étroits avec l’industrie nucléaire de l’Ontario sous forme d’une participation, depuis 15 ans, à de multiples projets de recherche en collaboration avec Ontario Power Generation et Bruce Power.
L’Université peut être appelée à occuper un rôle multiple dans l’écosystème du PRM :
- Création de savoir – qui fait appel à la recherche fondamentale pour faire avancer notre compréhension des principes, du développement et du déploiement du PRM.
- Diffusion du savoir – par voie de publication dans des revues scientifiques à forte influence soumises à des évaluations par des pairs, de conférences, de communications stratégiques universitaire et de réseaux médiatiques.
- Formation du personnel hautement qualifié (PHQ) – en vue de l’industrie du PRM au Canada, sous forme d’une formation pratique hautement spécialisée des étudiants de premier et de deuxième cycles, dans le cadre de projets de PRM.
- Nouveaux matériaux, technologies, approches, analyses – qui répondent aux questions, règlent les problèmes techniques, créent de nouvelles capacités et font avancer les projets au moyen de l’échelle TRL (niveau de maturité technologique).
- Partenariats – avec le gouvernement, les fournisseurs, les services publics et les organismes de réglementation afin de tirer parti d’actifs et de compétences complémentaires, de veiller à ce que les recherches entreprises par l’Université correspondent aux besoins futurs de l’industrie, et de soutenir l’intégration et la mise en œuvre des résultats de la recherche par les utilisateurs finaux.
Ce chapitre du plan d’action pour les PRM contient des contributions de chercheurs en ingénierie de l’Université susceptibles d’appuyer et d’autoriser le développement et le déploiement des PRM au Canada. Ces contributions comprennent ce qui suit :
- Études sur la corrosion, et nouveaux matériaux, pour les réacteurs à sels fondus
- Facteurs humains, technologiques et organisationnels qui entrent en jeu dans le fonctionnement et la sécurité du PRM
- Modélisation dynamique de la planification et de l’exploitation des réseaux de services publics dotés de PRM
- Systèmes de protection électrique des PRM
- Validation expérimentale des méthodes de calcul des possibilités de dommage causé par le rayonnement
- Conception et analyse multidisciplinaires des composants et systèmes de PRM
- Alliages à haute entropie résistant aux rayonnements pour les PRM
- Fabrication avancée de composants métalliques pour les PRM
Le Canada (par l’intermédiaire de la CCSN, du COG et des LNC) s’est joint au projet Halden 2021-2023, regroupement d’organisations nationales de 19 pays visant à produire des évaluations clés en matière de sûreté et d’autorisation. Ce réseau – au sein duquel le professeur Greg Jamieson (génie mécanique et industriel) mène des collaborations étroites depuis plus de 15 ans – offre une possibilité immédiate de collaboration.
Dans le cadre de cette présentation du chapitre du plan d’action canadien pour les petits réacteurs modulaires, l’Université de Toronto affirme son engagement envers la déclaration de principes.
Actions
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Atténuation de la corrosion et création de matériaux pour les PRM à sel fondu
ÉTAT : EN COURS
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Roger Newman et Touraj Ghazvani (doctorant)
Département de génie chimique et de chimie appliquée
L’amélioration du rendement des matériaux est essentielle à toute conception réussie de réacteurs PRM. Si les alliages à haute teneur en nickel sont performants, par contre la performance des matériaux demeure difficile tant pour la cuve du réacteur que pour l’échangeur de chaleur primaire; il sera donc difficile de valider un dossier de sûreté pour un réacteur nucléaire commercial d’une durée de vie de 30 ans ou plus. On créera de nouveaux alliages pour le noyau et la boucle de chaleur, et on proposera des revêtements pour les réacteurs à sels fondus, dont le comportement à la corrosion sera étudié au niveau fondamental.
Étude des alliages à base de nickel, et étude électrochimique de modèles d’alliages, portant sur les principes fondamentaux des effets d’alliage, des revêtements (ou couches), des changements dans la chimie des sels, et de la minimisation de la teneur en eau et en oxygène des sels de chlorure fondu, tout en étudiant aussi l’effet de ces impuretés.
RÉSULTATS ATTENDUS
Création de méthodes d’amélioration du rendement des matériaux dans les sels fondus.
Création d’alliages précis pour les composants spécifiques de chaque concept de PRM.
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Facteurs humains, technologiques et organisationnels du fonctionnement et de la sécurité du PRM
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Greg Jamieson
Département d’ingénierie mécanique et industrielle
Contribuer à la création d’un simulateur de recherche pour un projet de démonstration de PRM.
Contribuer à la création d’un concept d’opérations pour un projet de démonstration de PRM.
Définir les rôles des gens et des agents automatisés en matière de surveillance, de gestion des perturbations et d’interventions d’urgence.
Étudier les stratégies de surveillance et de contrôle des opérateurs à l’égard de multiples unités.
Conception du travail en équipe (x opérateurs; >x unités)
RÉSULTATS ATTENDUS
Comprendre comment les gens et les systèmes de RSM peuvent être associés de manière à parvenir à un fonctionnement sûr et efficace.
Accroître l’efficacité du rôle humain dans le fonctionnement du PRM.
POLITIQUE, LÉGISLATION ET RÈGLEMENTATION
Facteurs humains, technologiques et organisationnels du fonctionnement et de la sécurité du PRM
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 44
ACTIONS
Participer avec la CCSN à l’atteinte d’une approche graduée des critères de relations dans la sécurité nucléaire tenant compte du risque (à l’égard des facteurs humains et du rendement humain) pour les PRM.
RÉSULTATS ATTENDUS
Engagement précoce avec l’organisme de réglementation pour élaborer en partenariat des mesures clés liées aux facteurs humains du PRM.
PARTENARIATS ET MARCHÉS INTERNATIONAUX
Facteurs humains, technologiques et organisationnels du fonctionnement et de la sécurité du PRM
ÉTAT : EN COURS
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 15
ACTIONS
Professeur Greg Jamieson
Département d’ingénierie mécanique et industrielle
Instaurer avec le projet Halden1 un engagement international fort et efficace sur le PRM.
Le professeur Jamieson a lancé une étude des facteurs humains, technologiques et organisationnels dans l’exploitation sûre et efficace des PRM.
RÉSULTATS ATTENDUS
Création de cadres favorables à la mise en service, l’exploitation et l’entretien du PRM.
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Modélisation dynamique du PRM en vue de la planification et des opérations
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Zeb Tate
Département de génie électrique et informatique
Nombre de juridictions ont adopté des normes pour les portefeuilles d’énergies renouvelables, dans le but de s’éloigner à terme des technologies de production traditionnelles émettrices de carbone (par exemple production au charbon, au diesel et au gaz naturel). En raison de leur contrôlabilité, les PRM ont le potentiel d’équilibrer la variabilité des centrales éoliennes et solaires. Des études de cas seront développées pour illustrer la capacité des PRM à augmenter la capacité d’accueil de l’énergie éolienne et/ou solaire, dans des scénarios tant à distance que connectés au réseau.
RÉSULTATS ATTENDUS
Déterminer la capacité des PRM à accélérer le déploiement des centrales éoliennes et solaires.
Élaborer des stratégies d’implantation et d’exploitation pour le co-déploiement du PRM + éolienne/solaire.
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Modélisation dynamique du PRM en vue de la planification et des opérations
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Zeb Tate
Département de génie électrique et informatique
Élaborer les modèles dynamiques nécessaires à la planification et à l’exploitation des réseaux d’utilité publique liés aux PRM (par exemple modèles PTEM (Programme sur les courants transitoires électromagnétiques) et de stabilité transitoire pour les analyses de protection et de stabilité); valider les modèles sur les sites de démonstration des PRM; élaborer les meilleures pratiques pour les réglages des contrôleurs des PRM connectés au réseau (excitateur, régulateur).
RÉSULTATS ATTENDUS
Fournir aux ingénieurs des services publics les outils nécessaires aux études d’interconnexion des PRM (par exemple protection, stabilité transitoire).
Offrir aux opérateurs de réseaux la capacité d’inclure les PRM dans les applications traditionnelles des systèmes de gestion de l’énergie (par exemple analyses statiques et dynamiques des contingences).
Quantifier les avantages des PRM en termes de stabilité du réseau par rapport aux technologies de production concurrentes (par exemple la production éolienne et solaire).
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Élaboration de systèmes de protection électrique pour les PRM
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Ali Hooshyar
Département de génie électrique et informatique
L’Université de Toronto créera les systèmes de surveillance nécessaires à l’évaluation de la sécurité électrique des PRM et de leurs équipements auxiliaires. Cette étude portera principalement sur la détection des conditions de phase ouverte dans les transformateurs auxiliaires des centrales et des unités des PRM, qui pourraient nullifier l’efficacité des mécanismes de protection d’une installation nucléaire. De récentes études, dont un rapport de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA) pour 2016, ont indiqué que les dispositifs de protection actuellement installés sont insuffisants pour résoudre ce problème de sûreté dans les grandes centrales nucléaires. Mais surtout, cette question n’a pas été étudiée à l’égard du PRM.
RÉSULTATS ATTENDUS
Une plateforme de simulation électrique qui peut servir à évaluer la sécurité du PRM.
Le prototype d’un dispositif de protection qui reçoit des mesures électriques et décide si le système électrique d’un PMR pose un risque à la sécurité.
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Validation de méthodes de calcul avancées pour prévoir les dommages causés par le rayonnement
ÉTAT : EN COURS
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Chandra Veer Singha, Professeur James W. Davisb, Eric Nicholsona (doctorant)
a Département de science et d’ingénierie des matériaux
b Institut d’études aérospatiales de l’université de Toronto
Les capacités particulières rendues possibles par la collaboration entre le laboratoire de génie des matériaux informatiques (MSE) et le laboratoire des matériaux de fusion (UTIAS) servent à préparer des échantillons endommagés par irradiation ionique, à caractériser mécaniquement par voie de nanoindentation, et à simuler directement l’atomisation des processus expérimentaux.
La modélisation de la dynamique moléculaire classique et des principes de base des événements proches du seuil d’énergie de déplacement est comparée à un faisceau d’hydrogène de faible énergie, par des expériences de pulvérisation cathodique et de caractérisation de codéposition de carbure de silicium.
L’état de défaut des matériaux soumis à une irradiation d’énergie de déplacement proche du seuil est interprété par la simulation de la dynamique moléculaire provoquée par des expériences de nanoindentation.
De grands ensembles de données sur la dynamique moléculaire, et des simulations de dommages par éléments finis, sont intégrés par des méthodes d’apprentissage machine en vue de prédire la déformation des matériaux du noyau.
RÉSULTATS ATTENDUS
Des modèles prédictifs transversaux basés sur l’énergie de déplacement de seuil (déplacements par atome) des dommages par radiation dans les matériaux structurels de la prochaine génération de réacteurs nucléaires, par exemple le carbure de silicium, sont validés par voie d’expériences et étendus pour saisir la nature anisotrope et stochastique des dommages.
Les modèles de dynamique moléculaire classiques et ab initio sont exploités pour concevoir des matériaux et des compositions d’alliage nouveaux ou optimisés à des fins de meilleure tolérance aux rayonnements.
Les techniques d’apprentissage machine et d’intelligence artificielle sont appliquées aux données de simulation de principes de base, afin de réduire leur coût de calcul et de fournir une modélisation des dommages à l’échelle technique et à fidélité atomique.
Les résultats sont diffusés à la fois dans la littérature didactique et auprès d’un public plus large grâce aux efforts de publicité du département.
Une classe d’étudiants diversifiée et intersectionnelle est formée à la science des matériaux nucléaires.
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Conception et analyse multidisciplinaires des composants et systèmes de PRM
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Kamran Behdinan
Département de l’ingénierie mécanique et industrielle
Recherche sur la caractérisation des matériaux avancés du PRM et sur leur intégration à la conception.
Analyse de la structure/du système PRM.
Formation de personnel hautement qualifié en systèmes de PRM (en partenariat avec les intervenants).
Recherche sur la fabrication avancée des composants structurels du PRM.
Aide à l’élaboration de niveaux de maturité technologique/cadres d’évaluation.
RÉSULTATS ATTENDUS
Innovations en matière de matériaux et de fabrication des PRM.
Exposition à la création de PRM et de projets nucléaires offerte à un éventail international de jeunes étudiants en ingénierie d’origines techniques diverses (par l’intermédiaire de l’Institute for Multidisciplinary Design & Innovation)
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Mode de conception de la résistance aux rayonnements des alliages à haute entropie destinés aux PRM
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Yu Zou
Département de science et d’ingénierie des matériaux
Ces dernières années ont vu une attention croissante portée aux alliages à haute entropie (HEA) en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leur bonne résistance à la corrosion, qualités qui les désignent potentiellement pour des applications structurelles de fission et de fusion à haute température.
De nouveaux alliages HEA seront conçus, puis irradiés à la température ambiante puis jusqu’à des températures élevées.
La microstructure des HEA sera caractérisée et comparée aux matériaux nucléaires actuels.
RÉSULTATS ATTENDUS
La présente étude donnera un aperçu du comportement fondamental en cas d’irradiation d’un matériau HEA monophasique sur une large gamme de températures d’irradiation.
Les HEA présentent une excellente stabilité de phase par rapport à tous les autres matériaux.
Les approches et les résultats attendus peuvent inclure ce qui suit :
- Utilisation des phases matricielles présentant une tolérance inhérente aux rayonnements
- Sélection de matériaux dans lesquels les vacances sont immobiles aux températures de fonctionnement prévues
- Conception de matériaux à haute densité d’enfoncement en vue de la recombinaison des défauts ponctuels
DÉMONSTRATION ET DÉPLOIEMENT
Fabrication avancée de composants métalliques destinés aux PRM
ÉTAT : À VENIR
Réponse à la ou aux recommandations de la feuille de route des PRM recommendation(s) : 13, 38, 48, 49, 50
ACTIONS
Professeur Yu Zou
Département de science et d’ingénierie des matériaux
Parallèlement aux progrès réalisés dans la conception de nouveaux matériaux, les techniques de fabrication additive qui peuvent faciliter l’insertion précise de capteurs intégrés dans des composants de PRM présentent un intérêt particulier.
Les avantages de la fabrication additive par rapport au traitement conventionnel comprennent le potentiel d’ingénierie/de fabrication des matériaux à l’échelle atomique, une réduction considérable des déchets (particulièrement importante pour les matériaux rares ou coûteux), un prototypage et une optimisation rapides des composants (en partie grâce à l’utilisation directe des dessins CAO) et la possibilité de fabriquer des composants qu’il serait impossible d’obtenir par les techniques de fabrication conventionnelles.
RÉSULTATS ATTENDUS
Ces techniques de fabrication additive pourraient éventuellement servir à créer des architectures d’ingénierie uniques (par exemple, des tubes à tourbillon à transfert de chaleur amélioré) utiles aux applications de l’énergie de fusion.
Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour établir les propriétés des matériaux de base des composants fabriqués à l’aide de techniques de fabrication additive, puis pour étudier les modifications des conditions de traitement de fabrication additive qui pourraient conduire à des propriétés améliorées (y compris celles spécifiquement adaptées à la résistance aux rayonnements).