Collège militaire royal du Canada

Énergie et science nucléaire

Par : Dr. Hugues W. Bonin

Les dernières années ont été mouvementées pour le corps enseignant et les étudiants des programmes de génie nucléaire du Collège militaire royal du Canada (CMR) de Kingston, Ontario. Parmi les nombreux changements figure l'accessibilité récente aux programmes de cycles supérieurs aux étudiants civils (citoyens canadiens), un fait très peu connu hors campus puisque, jusqu'à récemment, ces programmes de maîtrise et de doctorat n'étaient réservés qu'aux membres des Forces armées canadiennes. Un autre événement majeur est l'accréditation des programmes d'études supérieures offerts par le Département de chimie et de génie chimique (i.e. science et génie chimique, nucléaire et environnemental) par l'"Ontario Council of Graduate Studies".

Un survol des sites internet des universités canadiennes offrant les programmes de génie nucléaire (tous de cycles supérieurs) révèle que, en termes de la taille du corps professoral et de la population estudiantine, de même que de l'intensité des activités de recherche, le CMR se classe parmi les premières universités, quand ce n'est pas la toute première. À la dernière conférence étudiante de la SNC et de l'ANC en juin 2001, la moitié du nombre de présentations provenait d'étudiants du CMR, certains d'entre eux se méritant les prix des meilleures présentations au niveau des premier et deuxième cycles. Comment en est-on parvenu à ce succès?

Le génie nucléaire a constitué une partie du programme de premier cycle en génie chimique depuis le milieu des années soixante, avec deux cours de quatrième année offerts aux élèves-officiers, en plus de laboratoires en soutien à ces cours. Au milieu des années soixante-dix, le CMR est devenu officiellement bilingue, et tous les programmes de premier cycle en génie ont commencé à être donnés dans les deux langues officielles du Canada, de telle sorte que chacun des étudiants a le choix de prendre tous ses cours en Français ou en Anglais, ou même selon un mélange de cours donnés dans les deux langues. Le masculin est utilisé dans la phrase précedente puisqu'à cette époque, les trois collèges militaires du Canada n'acceptaient que des jeunes hommes comme étudiants. Le collège devint accessible aux jeunes femmes en 1980. Avec le bilinguisme arriva une expansion importante des bâtiments du campus de Kingston, avec la construction du complexe de génie/science Sawyer qui compte cinq modules. Le Département s'est alors installé sur les cinq étages du Module 5, de même que sur certains étages de d'autres édifices. De plus, les plans et devis du Module 5 comprenaient des laboratoires nucléaires et l'installation d'une piscine en prévision de l'arrivée d'un réacteur nucléaire SLOWPOKE-2. Les contraintes budgétaires du Ministère de la Défense ont reporté l'acquisition de ce réacteur à 1985.

Le programme d'études supérieures en génie nucléaire démarra en 1978 avec l'arrivée du premier étudiant au niveau de la maîtrise. Depuis lors, on a eu 32 diplômés en maîtrise et deux diplômés au doctorat, le programme de doctorat ayant débuté en 1991. Présentement, trois étudiants poursuivent leurs études en maîtrise et trois autres au doctorat. Il faut mentionner aussi que quelques-uns des professeurs supervisent les travaux de recherche d'étudiants inscrits aux programmes de cycles supérieurs de l'Université Queen`s de Kingston.

Au tout début, le programme d'études supérieures était réservé aux officiers "commandités" des Forces canadiennes. Le terme "commandité" signifie ici que la formation et le diplôme d'études supérieures sont un prérequis à l'affectation de l'officier à un poste spécifique au sein des Forces, afin de lui procurer les compérences nécessaires à l'accomplissement de ses tâches. Dans ce programme d'études commanditées, une affectation militaire que l'on prévoit devenir libre dans deux ans est identifiée comme disponible et annoncée aux gérants de carrière et partout au sein des Forces. Les officiers intéressés posent alors leurs candidatures à ces affectations, et concourent pour elles. Une fois acceptés par les Forces, ils postulent alors leur admission à l'École des études supérieures du CMR, et ce n'est qu'une fois admis académiquement que ces officiers sont formellement affectés au CMR pour la durée de la maîtrise de 21 mois, (ou plus longue dans le cas du doctorat). À la graduation, l'officier rejoint son affectation pour une durée typique de quatre ans. Durant son séjour au CMR comme étudiant, l'officier reçoit sa solde normale, et ses frais de scolarité sont entièrement payés par les Forces canadiennes. Initialement, il n'y avait qu'une seule affectation demandant comme prérequis une maîtrise en génie nucléaire, il y en maintenant cinq.

Le premier groupe d'étudiants est maintenant augmenté par le groupe d'étudiants "non commandités". Ceux-ci sont des officiers ou des sous-officiers des Forces canadiennes, et des civils. Certains d'entre eux sont des étudiants à temps partiel, et tous doivent payer des frais de scolarité qui sont relativement modestes. Les étudiants "non commandités" à temps plein sont éligibles pour les bourses d'études du CRSNG (puisque le CMR est récemment devenu éligible aux subventions du CRSNG), et des bourses d'études comparables sont offertes par le Ministère de la défense nationale dans le programme de l'Agence de la Recherche et du Développement de la Défense (ARDD). On trouvera les détails de ces programmes de bourses d'études aux sites internet appropriés (www.crsng.ca et www.rmc.ca , respectivement). D'habitude, la plupart de ces étudiants se trouvent de l'emploi comme assistants de recherche pour l'un ou l'autre des projets de recherche en cours au CMR. Comme on l'a mentionné ci-haut, il n'y a plus de restriction à l'inscription d'étudiants civils aux programmes d'études supérieures du CMR autres que le besoin pour ces étudiants d'être citoyens canadiens et, bien sûr, d'avoir un dossier académique solide et pertinent.

Le CMR offre des programmes de maîtrise et de doctorat tant en sciences nucléaires qu'en génie nucléaire. On pourra trouver les détails de ces programmes au site internet du CMR, et la description des cours offerts se trouve à L'Annuaire de la Division des études supérieures et de la recherche disponible auprès du Secrétaire général du CMR et que l'on peut se procurer via l'internet ou par téléphone. Le nombre de cours requis normalement pour la maîtrise est de cinq cours d'un semestre de niveau supérieur. Ceux-ci proviennent d'habitude du groupe de cours suivants: CC511 Health Physics and Radiation Protection, CC515 Nuclear Detection and Measurement, CC523 Nuclear Reactor Engineering, CC525 Nuclear Reactor Safety, et CC565 Nuclear and Radiochemistry. (Les titres anglais de ces cours ne signifient pas qu'ils ne sont pas disponibles en Français: ils pourront se donner en Français sur demande et selon les disponibilités). On offre de plus de nombreux autres cours plus spécialisés couvrant des sujets tels que l'ingénierie des combustibles nucléaires, la gestion du combustible nucléaire, la radiographie neutronique et la gestion des déchets radioactifs. Enfin, on doit mentionner qu'il existe une entente du CMR avec l'Université Queen's selon laquelle un étudiant de l'une ou l'autre institution peut suivre des cours offerts par l'autre université. Le corps enseignant en science et génie nucléaires est constitué de six professeurs à temps plein: Messrs. William S. Andrews, Les G. I. Bennett, Hugues W. Bonin, Brent J. Lewis, le ltv Martin Pierre et M. Sadok Guellouz, ce dernier s'étant joint récemment au personnel enseignant du Département de génie mécanique. Il y aussi trois professeurs affiliés: M. Ron G. Hancock, Mme Diana Wilkinson et le Major William J. Lewis. En plus de leurs tâches d'enseignement et de supervision de thèses, ces personnes sont actives en recherche dans une grande variété de domaines, avec le support financier provenant de sources telles que les subventions du CRSNG, et celles du PRU (Programme de Recherche Universitaire du Ministère de la défense nationale). Les professeurs bénéficient aussi d'autres sources de fonds pour leurs recherches, incluant des contrats de recherche pour diverses agences du Ministère de la défense nationale (telles que le Directorat général de la sûreté nucléaire), des contrats de recherche avec l'industrie nucléaire, et des activités de consultation. On peut constater dans la plus récente version du Volume III du Rapport annuel du Commandant de CMR (AF 1999-2001) que le total des subventions pour la recherche pertinente au nucléaire s'élevait à environ $464,000 pour cette année fiscale.

Le personnel enseignant et de recherche se partage les domaines de recherche suivants: la radiochimie et l'analyse par activation neutronique, les effets des radiations sur les matériaux, le traitement des polymères par le rayonnement, la radiographie neutronique, la simulation, l'analyse et le désign de réacteurs nucléaires, la conception optimale de grappes de combustible CANDU, les cycles de combustible avancés CANDU et la gestion optimale du combustible, l'ingénierie et l'étude du comportement du combustible nucléaire, incluant la modélisation du relâchement des produits de fission, les applications de l'intelligence artificielle aux systèmes nucléaires, la réponse aux accidents nucléaires, la détection et la mesure des radiations, la radioprotection, la dosimétrie, et le contrôle des réacteurs nucléaires.

Le Département de chimie et de génie chimique est très bien pourvu en équipements soutenant l'enseignement et la recherche en science et en génie nucléaires. La pièce maîtresse est bien sûr le réacteur nucléaire SLOWPOKE-2 qui fut mis en service en septembre 1985, étant le premier à être muni d'un nouveau combustible basé sur des pastilles d'UO2 enrichies à 20% en uranium-235. On estime que ce combustible plus performant permettra l'exploitation du réacteur jusqu'en 2020 environ avant qu'il ne faille changer le coeur du réacteur.

Le laboratoire SLOWPOKE-2 a été pourvu d'une installation de radiographie neutronique basée sur un tube à faisceau neutronique conçu au CMR. Ce système sert surtout à l'examen périodique non-destructif de composantes d'ailes d'avions militaires. Une autre pièce d'équipement importante est un système de positionnement d'échantillons de grande taille, appelée "ascenseur", qui permet de placer et de maintenir des objets dans la piscine du réacteur pour la durée de l'irradiation. Le laboratoire nucléaire est aussi très bien équipé de plusieurs systèmes informatisés de détection et de comptage gamma pour l'analyse par activation neutronique. De nombreux autres systèmes de détection des radiations sont disponibles en soutien à l'enseignement et à la recherche, tels que des dosimètres à bulles, des sources-étalons radioactives, et un dispendieux système de compteur proportionnel équivalent au tissu vivant, clef de voûte d'un important projet de recherche sur la mesure des doses de radiation reçues par les équipages des avions de ligne volant à hautes altitudes. En matière de ressources informatiques, les étudiants et chercheurs bénéficient de l'équipement dernier cri fourni par le CMR, en plus de certains équipements spécialisés obtenus grâce aux fonds de recherche. Presque tous les ordinateurs sont interconnectés au réseau informatique du CMR qui permet aussi de se raccorder à l'internet. Tout cet équipement est muni des logiciels courants, comme la suite Microsoft Office, et plusieurs logiciels spécialisés en nucléaire sont aussi disponibles, comme des codes commerciaux tels
que MCNP 4A et Microshield 5™. Plusieurs codes de l'ÉACL sont aussi installés sur nos ordinateurs, comme, par exemple, WIMS-AECL, VICTORIA, et ORIGEN. D'autres codes (en thermohydraulique notamment) vont arriver sous peu grâce à la bienveillante collaboration d'ÉACL.

En guise de conclusion, examinons de plus près quelques-uns des projets de recherche en science et en génie nucléaires au CMR. Le lecteur notera que la plupart des projets impliquent plus d'un professeur, souvent mettant en équipe des professeurs en nucléaire avec certains de leurs collègues spécialisés dans d'autres domaines comme le génie des polymères, la métallurgie et la chimie. Certains des projets impliquent aussi des chercheurs des Centres de Recherche de la Défense, de certaines autres agences des gouvernements fédéral et provinciaux, et, bien sûr, des experts de l'industrie nucléaire. On peut d'ordinaire formuler plusieurs sujets de thèse à partir de chacun de ces projets de recherche. La liste des projets ci-dessous représente l'activité de recherche présentement en cours au CMR, et de nouveaux sujets s'y ajoutent fréquemment.

En génie nucléaire, M. William S. Andrews, le tout premier diplômé au doctorat du CMR, a les sujets de recherche suivants: l'application de l'intelligence artificielle et des réseaux neuronaux aux systèmes nucléaires (avec M. Brent J. Lewis), et la modélisation de la dispersion des aérosols dans l'atmosphère à partir de sources ponctuelles transitoires, ce qui inclut la dispersion de la contamination radioactive. Il est de plus impliqué dans un contrat pour déterminer l'étendue de la contamination par l'uranium appauvri des troupes canadiennes lors de missions de maintien de la paix.

Les intérêts de M. Les Bennett résident surtout dans la radiographie neutronique et en instrumentation et mesure des rayonnements. Avec l'aide de plusieurs étudiants au cours des dernières années, il a conçu et mis au point une installation de radiographie neutronique basée sur le réacteur nucléaire SLOWPOKE-2, ce qui constitue une première pour ce type de réacteur. Plus récemment, avec l'aide du capitaine de corvette Lloyd Cosby, il a conçu une nouvelle console de contrôle pour le réacteur SLOWPOKE-2 du CMR, qui est maintenant en service. Il collabore aussi avec M. Brent J. Lewis au projet de détermination des doses de radiation reçues par les équipages des avions de ligne volant à haute altitude.

M. Hugues W, Bonin mène activement plusieurs projets de recherche. Avec M. Van Tam Bui, un collègue spécialiste en génie des polymères, il poursuit une recherche sur plusieurs aspects des interactions des rayonnements avec les polymères. Le principal projet consiste en le désign de containers faits de matériaux composites à base de polymères pour l'entreposage à long terme de matières radioactives telles que les déchets nucléaires à haute activité et le combustible nucléaire usé, et les déchets radioactifs de faible et moyenne activité. Dans un premier temps, cette recherche s'est concentrée sur la résistance aux rayonnements de plusieurs types d'échantillons de polymères irradiés dans la piscine du réacteur SLOWPOKE-2 du CMR. Ces études ont permis d'identifier les matériaux les plus prometteurs, comme les époxies et le polyétheréthercétone (PEEK). Puisque ces matériaux doivent résister à l'agressivité d'environnements radioactifs chimiques et thermiques durant plusieurs siècles, il reste encore beaucoup de recherches à mener pour confirmer que ces matériaux avancés peuvent bel et bien être appliqués à la construction de ces containers. Une autre facette de cette recherche est le traitement de polymères par radiation. Un projet présentement en cours consiste à détruire par irradiation des explosifs plastiques épuisés. Déjà, une thèse de maîtrise et trois projets de fin d'études au niveau du baccalauréat ont démontré que cette approche est très faisable, révélant même que les doses requises pour cette application demeurent très modestes.

M. Bonin est aussi activement impliqué en recherche en gestion du combustible nucléaire, ayant étudié avec l'aide du capc Chris Tingle le problème de l'optimisation de la gestion du combustible d'un réacteur CANDU-600 alimenté avec des combustibles avancés durant la période de l'approche à l'équilibre de rechargement. Le logiciel développé au cours de cette recherche, appelé CATER, peut aussi servir à l'optimisation de la gestion du combustible à l'équilibre de rechargement, et même pour la période de transition d'un réacteur CANDU actuel pour lequel les grappes de 37 crayons seraient graduellement remplacées par des grappes de combustible avancées comme, par exemple, les grappes CANFLEX™.

Un autre projet récemment démarré est celui de la conception d'un petit réacteur nucléaire à sûreté inhérente conçu pour fournir de l'électricité à bord des sous-marins canadiens de la classe Victoria. Ceci est le projet de recherche de doctorat du ltv Chris Cole, mais cette recherche peut très bien être étendue de façon à concevoir des sujets de thèse sur certains aspects pour de futurs étudiants de maîtrise et de doctorat. Un autre projet de recherche en cours est l'étude des implications économiques et environnementales des diverses composantes des cycles de combustible des réacteurs CANDU. Ce projet est le sujet de thèse de maîtrise du Capt. Charlene Fawcett qui est co-dirigée par Mme Kathy Creber, Professeure de chimie au CMR. Enfin, d'autres projets de recherche effectués récemment peuvent être poursuivis, comme celui de la simulation sur ordinateur du réacteur SLOWPOKE-2 avec le code MCNP 4A, qui a servi de projet de maîtrise au ltv Martin Pierre, et le projet de la détermination des doses de radiation à différents points du réacteur SLOWPOKE-2 et de sa piscine, qui était le sujet de thèse du ltv Greg Lamarre.

M. Brent J. Lewis est aussi très occupé en recherche nucléaire, ses principaux domaines d'intérêt étant l'étude du comportement des produits de fission et la détermination des doses de rayonnement reçues par les équipages des avions de ligne en haute altitude. Dans le premier domaine de recherche, M. Lewis collabore avec plusieurs scientifiques canadiens et étrangers pour l'expérimentation et la modélisation informatique du comportement du combustible de réacteurs nucléaires en exploitation normale et dans des conditions d'accidents. Plus particulièrement, on essaie de réaliser des modèles informatiques du terme de source et des mécanismes de relâchement des produits de fission d'éléments de combustible défectueux. Cette recherche se fait en collaboration avec M. William T. Thompson, un ingénieur métallurgiste du Département qui utilise le logiciel FACT pour prédire les formes chimiques prises par ces produits de fission, ce qui permet une modélisation plus exacte du comportement de ceux-ci. La recherche implique aussi l'utilisation de l'intelligence artificielle avec la collaboration de M. William Andrews.

Avec le concours de M. Les Bennett et d'une équipe de chercheurs et d'étudiants, M.Lewis est impliqué intensément dans un projet majeur visant à déterminer avec précision les taux de dose de radiation reçues par les équipages des avions de ligne volant à haute altitude, dues aux effets directs et indirects des rayons cosmiques. Ce projet est devenu une collaboration internationale entre experts, incluant des institutions telles que la NASA, Transport Canada, l'Agence canadienne de l'espace, les Forces canadiennes et diverses compagnies aériennes. Le groupe du CMR a réussi à concevoir un logiciel appelé PC-AIRE capable de prédire avec fiablilité les doses de rayonnement reçues par les équipages des avions à partir de données telles que les temps et lieux de départ et d'arrivée des vols, les plans de vol et les altitudes atteintes, le moment de l'année du vol, ainsi que le temps du cycle solaire. On a augmenté les capacités de mesure des doses récemment avec l'acquisition d'un compteur proportionnel équivalent au tissu vivant qui est souvent amené à bord d'avions de lignes pour prendre des mesures expérimentales. L'aspect modélisation sur ordinateur fait aussi partie de ce projet, constituant le sujet de thèse de doctorat du ltv Martin Pierre qui se sert de méthodes de Monte-Carlo pour simuler et caractériser les champs de radiation et les implications en dosimétrie des rayonnements auxquels sont sujets les membres d"équipage des avions de ligne.

M. Sadok Guellouz s'est joint au personnel enseignant du Département de génie mécanique du CMR à l'été de 2001, après avoir fait partie de l'équipe de l'ÉACL pour plus de deux ans. Ses intérêts de recherche couvrent les vastes domaines de la thermohydraulique avec applications au génie nucléaire. Ses sujets d'intérêt particuliers incluent la recherche expérimentale sur la turbulence des fluides avec applications à l'écoulement dans des canalisations, le transfert de chaleur dans les sous-canaux des grappes de combustible CANDU, et le développement de techniques de mesure nouvelles et améliorées.

L'équipe nucléaire du CMR se complète par le groupe analytique qui est le principal utilisateur du réacteur SLOWPOKE-2, et qui est constitué de M. Ronald G.V. Hancock et de Mme Kathy Nielsen, Directrice du Laboratoire SLOWPOKE-2. Outre les nombreux contrats d'analyse par activation neutronique, on effectue de la recherche en chimie analytique couvrant de nombreux domaines d'intérêt: étude de poteries anciennes, études d'artifacts métalliques datant de l'Antiquité, détermination des coutumes alimentaines de peuplades anciennes à partir deséléments concentrés à l'état de traces dans les os, surveillance de l'environnement, chronologie de sites archéologiques à partir de la composition de billes de verre, géophagie, formation des sols et des sédiments, et études d'outils préhistoriques.

Ce survol des activités au sein des programmes de science et de génie nucléaires est révélateur du dynamisme de l'institution qui continue de croître à un rythme rapide. En tant que seule université entièrement bilingue du Canada et institution vraiment nationale rassemblant des étudiants et du personnel des quatre coins de notre pays, le CMR continue dans sa mission de soutien des Forces canadiennes, du Ministère de la défense nationale, du peuple canadien et de l'industrie canadienne qui comprend le secteur du nucléaire. C'est dans cet esprit que le personnel enseignant a été très impliqué dans des organisations telles que la Société Nucléaire Canadienne et l'Association Nucléaire Canadienne, ayant servi d'hôte à quatre conférences étudiantes et à trois conférences thématiques majeures de la Société Nucléaire Canadienne. L'avenir peut difficilement être plus brillant maintenant qu'il est possible accueillir des étudiants et étudiantes civils aux programmes de cycles supérieurs. Comme le lecteur vient de le constater, ce ne sont pas les bons sujets de recherche qui manquent pour de bons étudiants! Pour de plus amples renseignements, on pourra communiquer avec l'auteur via le site internet du CMR à l'adresse www.rmc.ca ou au téléphone au 613-541-6000 poste 6613.

Échantillons d'époxies irradiés dans la piscine du réacteur SLOWPOKE-2, dans la lumière bleue de l'effet Cerenkov

Gestion optimale en-pile du combustible d'un réacteur CANDU alimenté à l'uranium naturel à l'approche de l'équilibre de rechargement: vue shématisée du réacteur CANDU de 600 MWe montrant les canaux de combustible rechargés deux fois (en rouge), une fois (en bleu) et non encore rechargés (en blanc) au cycle de rechargement #232.