thumb|Deux réacteurs CANDU 6 du site chinois de la centrale nucléaire de Qinshan, construits en 2003.|250x250px
Le réacteur CANDU, conçu au Canada dans les années 1950 et 1960, est un type de réacteur nucléaire à l'uranium naturel (non enrichi) à eau lourde pressurisée (PHWR) développé par Énergie atomique du Canada Limitée. L'acronyme « CANDU » signifie CANada Deuterium Uranium en référence à l'utilisation de l'oxyde de deutérium (eau lourde) et du combustible à l'uranium naturel.
Généralités 360x360px|thumb|Architecture d'un réacteur CANDU Zones chaude et froide du circuit primaire (eau lourde); Zones chaude et froide du circuit secondaire (eau légère); Modérateur froid (eau lourde) de la calandre.1. Combustible8. Machine à manutention de combustible2. Calandre9. Eau lourde (modérateur)3. Barres de contrôle10. Canal4. Pressuriseur11. Vapeur vive5. Générateur de vapeur12. Eau légère pressurisée6. Pompe d'eau du circuit secondaire13. Enceinte étanche7. Pompe du caloporteur
Eau lourde Les réacteurs CANDU utilisent l'uranium naturel comme combustible. L'uranium naturel est formé de plusieurs isotopes de l'uranium dont les plus abondants sont l'uranium 238 (238U) et l'uranium 235 (235U).
Seul l'isotope 235U est fissile et sa concentration dans l'uranium naturel (0,72 % de la masse) ne lui permet pas d'entretenir naturellement la réaction en chaîne. Pour faire fonctionner un réacteur nucléaire, le principe est de ralentir suffisamment les neutrons produits par la fission d'un atome pour que la probabilité qu'ils entraînent la fission d'un autre atome atteigne un niveau permettant une réaction en chaîne dans l'ensemble du combustible. Ce procédé est appelé thermalisation des neutrons.
La thermalisation se fait au moyen d'un modérateur pouvant ralentir efficacement les neutrons produits par la fission sans trop les absorber. Pour la concentration en 235U de l'uranium naturel, seuls trois matériaux répondent à ces critères : le béryllium, le graphite et l'eau lourde. Le graphite, moins coûteux que l'eau lourde et le béryllium, a été utilisé dans les premiers réacteurs nucléaires de l'histoire (CP-1, X-10).
Tubes de force Les CANDU sont des réacteurs à tubes de force, c'est-à-dire que le combustible et le modérateur sont séparés. Ils sont en ce sens comparables aux réacteurs à gaz (UNGG, AGR) et aux réacteurs RBMK.
L'eau lourde « froide », qui joue le rôle de modérateur, est contenue dans un réservoir cylindrique nommé calandre. Cette calandre est traversée par des canaux remplis de gaz (dioxyde de carbone) abritant des tubes de force (380 pour un CANDU 600). Dans ces tubes de force, renfermant chacun des grappes de combustible (12 ou 13), circule de l'eau lourde sous pression « chaude » servant de fluide caloporteur. Ainsi à la différence des réacteurs à eau pressurisée (REP), qui forment la majeure partie du parc nucléaire mondial, les réacteurs CANDU possèdent deux réseaux de canalisations : l'un transportant le liquide caloporteur « chaud » sous pression et l'autre le liquide modérateur « froid ». Dans les réacteurs de type REP, un seul réseau de canalisation assure ces deux fonctions.
La pression de l'eau lourde dans les tubes de force est maintenue à , soit près de 100 fois la pression atmosphérique au niveau de la mer. À cette pression, l'eau n'entre pas en ébullition bien que sa température atteigne au contact du combustible. L'eau lourde sous pression transfère l'énergie thermique acquise à de l'eau légère en passant par des générateurs de vapeur à proximité du réacteur. Au sein de ces derniers l'eau légère est portée à ébullition et la vapeur est utilisée pour faire tourner des turbines reliés à des alternateurs produisant de l'électricité. Ce procédé, commun à toutes les turbines à vapeur, n'est pas sans pertes puisque pour de chaleur (MWt) générés par un réacteur CANDU-850, seulement d'électricité (MWe) bruts sont produits (rendement de 30 %).
Si les réacteurs CANDU ont tous en commun l'eau lourde comme modérateur, historiquement d'autres fluides caloporteurs ont été testés, tels l'eau légère bouillante (CANDU-BLW) dans le réacteur Gentilly-1 de la centrale nucléaire de Gentilly, ou l'huile (CANDU-OCR) dans le réacteur expérimental WR-1 des laboratoires Whiteshell.
Avantages et inconvénients Avantages
Combustible vignette|300x300px|Le cycle du combustible d'un réacteur CANDU. Aucun coût relatif à l'enrichissement de l'uranium n'est nécessaire pour faire fonctionner un réacteur CANDU. L'eau lourde absorbant moins les neutrons que l'eau légère, la faible concentration en matière fissile de l'uranium naturel (0,7 % 235U) est suffisante pour y entretenir une réaction en chaîne. La capacité des CANDU à entretenir une réaction en chaîne malgré une faible concentration de matière fissile leur permet de brûler des combustibles alternatifs. L'uranium de retraitement (0.5-1 % 235U) peut être utilisé pour en extraire 30 à 40 % d'énergie supplémentaire ou même directement le combustible usé des réacteurs à eau légère. Un mélange d'uranium et de plutonium (le MOX) provenant d'armes nucléaires démantelées ou de combustible retraité peut être choisi. L'utilisation des actinides issus du retraitement peut être envisagée. Enfin, le thorium peut être transmuté en 233U fissile et ce dernier brûlé. Une fois la durée de vie utile du combustible atteinte, après 12 à 18 mois dans le réacteur, les grappes contiennent encore 0,2 % de 235U, ainsi que 4 % de plutonium. Ce combustible usé peut être retraité. Au Canada, il est stocké en vue d'un entreposage permanent ou d'une utilisation future dans des réacteurs de prochaine génération.
Fonctionnement vignette|Plus l’énergie d'un neutron libre est faible (plus il est thermalisé) et plus il a de chance d’entraîner la fission d'un noyau d'uranium 235. La réaction en chaîne est plus stable dans un CANDU du fait de la production de neutrons supplémentaires. Ces neutrons proviennent des noyaux de deutérium de l'eau lourde bombardés par les neutrons issus de la fission et par les rayons gamma, produits à la fois par la fission puis par la décroissance radioactive des produits de cette fission. La période radioactive des produits de fission variant de quelques secondes à plusieurs années, les neutrons générés, via le deutérium, par leur décroissance, ralentissent la réponse du réacteur. Les rayons gamma traversant plusieurs mètres d'eau, un accroissement du taux de fission dans une partie du réacteur entraîne une réponse lente du reste du réacteur. D'un autre côté les neutrons de fission, fortement ralentis avant d'atteindre une autre barre de combustible, mettent plus de temps à traverser le réacteur. Si la réaction s'accélère dans une partie du réacteur ce changement se propagera lentement au reste du cœur, laissant plus de temps aux opérateurs pour réagir. Dans un CANDU la majeure partie du modérateur (dans la calandre) est à une température peu élevée (moins de ). Cela implique que la plupart des neutrons vont être modérés (thermalisés) à des énergies basses et ainsi être plus susceptibles d'engendrer la fission. Presque tous les événements de fission étant engendrés par des neutrons thermalisés, l'uranium est ainsi plus efficacement « brûlé » que dans un réacteur à eau légère. La petite taille des grappes de combustible et la possibilité de rechargement en marche du CANDU facilitent l'optimisation du cœur du réacteur et éliminent la nécessité d'utiliser des poisons à neutrons pour diminuer l’excès de réactivité d'un cœur venant d’être rechargé en combustible neuf.
Sécurité Deux systèmes indépendants permettent de stopper la fission. Des barres absorbantes en cadmium sont maintenues au-dessus de la calandre par des électroaimants et tombent dans le cœur pour stopper la réaction. Un système injecte du nitrate de gadolinium sous pression, un poison à neutrons, dans l'eau de la calandre. Les barres de contrôle étant insérées dans la calandre et non dans les tubes de force sous haute pression elles ne peuvent pas être éjectées par la vapeur comme elles pourraient l'être de la cuve d'un REP. Le modérateur de la calandre dissipe 4,5 % de la chaleur (induite principalement par rayonnement gamma) en fonctionnement normal. Ce ratio est semblable à la puissance résiduelle du réacteur après l'arrêt. La calandre peut ainsi agir comme un dissipateur thermique en cas d'accident (perte du caloporteur). Les tubes de force ne peuvent maintenir le cœur du réacteur critique que si leur géométrie est maintenue. Si la température du combustible augmente au point de les rendre mécaniquement instables leur orientation horizontale implique qu'ils se courberaient sous l'effet de la gravité, changeant l'arrangement des assemblages. L'uranium naturel ayant peu de réactivité en excès, toute déformation significative de l'arrangement du cœur du réacteur ou des assemblages eux-mêmes réduit l'efficacité de la réaction en chaîne. Dans l'éventualité où un tube de force serait déformé par la chaleur au point de toucher le canal l'entourant, la capacité thermique de la calandre permettrait à cette chaleur d'être efficacement dissipée par le volume de modérateur. La calandre étant entourée d'un réservoir d'eau, elle fait office de récupérateur de corium en cas de fusion de cœur. En cas de fusion du cœur, le combustible n'étant pas critique dans l'eau légère, il peut être refroidi avec de l'eau ordinaire provenant de sources proches sans risque d'augmenter sa réactivité. Pour la même raison, le stockage et la manutention du combustible usé sont simplifiés car il n'y a pas de risque d'accident de criticité en piscine.
Économie thumb|Grappes de combustible. Le combustible n'ayant pas besoin d'être enrichi, les réacteurs CANDU consomment au total 30 % moins d'uranium naturel que leurs homologues à eau légère. L’accessibilité, via leurs calandres, du flux de neutrons des réacteurs CANDU permet la production d'isotopes à usages médicaux ou techniques. En plus de l'électricité, ils produisent ainsi la quasi-totalité du cobalt-60 utilisé dans le monde. Parce qu'ils utilisent des tubes de force, les réacteurs CANDU peuvent être rechargés en fonctionnement. Deux robots se connectent à chaque extrémité d'un tube de force et tandis qu'un y introduit des grappes de combustible neuf, l'autre récupère les grappes usagées. Pour cette raison, les réacteurs CANDU offraient les facteurs de charge les plus importants de tous les réacteurs occidentaux de deuxième génération. Depuis les années 2000, des progrès dans la gestion des rechargements ont réduit l'écart au point que les REP les dépassent aujourd'hui.
Inconvénients Sécurité Les réacteurs CANDU ont un coefficient de vide positif entraînant un coefficient de puissance positif. Cela implique que l'augmentation de la température du fluide caloporteur accroît la réactivité du combustible qui en retour augmente la température du caloporteur et ainsi de suite. Prévenir ce phénomène, impliqué dans la catastrophe nucléaire de Tchernobyl, est l'une des raisons d'être de la calandre car une production importante de vapeur dans les tubes de force n'aurait qu'une incidence limitée sur la modération. Si l'eau dans la calandre se mettait à bouillir cela aurait cependant un effet significatif mais son volume important et sa basse température assurent que cela n'arrive que lentement.
Déchets Les réacteurs CANDU produisent plus de déchets pour une même quantité d’énergie produite que les réacteurs à eau légère (140 t/GWe/an contre 20 t/GWe/an pour un REP) car leur combustible est moins riche en 235U (0,7 % contre 3 à 5 %).