Deux grands laboratoires nationaux américains collaborent pour faire progresser l'impression 3D à l'arc des cuves sous pression nucléaires

Le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) et le Laboratoire national de l'Idaho (INL), relevant du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), ont annoncé une collaboration visant à faire progresser la technologie d'impression 3D à l'arc pour les cuves sous pression industrielles et le développement des capacités de qualification des composants nucléaires critiques, afin d'élargir la chaîne d'approvisionnement nationale américaine.

Les deux laboratoires ont dévoilé ce plan de collaboration lors de la journée d'innovation sur les matériaux et la fabrication organisée le 19 août à l'ORNL. Cet événement a mis l'accent sur la fabrication avancée, les infrastructures nucléaires, la sécurité énergétique et la chaîne d'approvisionnement nationale, et a inclus des démonstrations et des visites de l'installation de démonstration de fabrication (MDF) du DOE. Cette installation est une plateforme de recherche à grande échelle ouverte à l'industrie, principalement destinée au développement de technologies de fabrication avancées à un stade précoce.

Les cuves sous pression sont généralement utilisées dans des environnements sévères à haute température et haute pression, exigeant une grande ténacité des matériaux et une intégrité structurelle élevée. Les cuves sous pression traditionnelles reposent en grande partie sur des procédés de forgeage, mais dans le contexte de l'expansion de l'énergie nucléaire, la capacité de fabrication nationale des grands composants et les délais d'approvisionnement sont sous pression. Les deux laboratoires estiment que la technologie de fabrication additive à l'arc, qui consiste à fondre du fil métallique, pourrait offrir une nouvelle voie de fabrication pour les grandes cuves sous pression.

Selon l'accord de collaboration, l'ORNL mettra à profit ses atouts en matière de fabrication additive, de surveillance en ligne et de caractérisation des pièces imprimées, tandis que l'INL apportera son expérience dans la conception, les essais, le déploiement des composants de réacteurs nucléaires et l'évaluation des performances à long terme des matériaux nucléaires, afin de favoriser conjointement l'intégration des processus de fabrication des composants, de collecte de données, de validation de la qualité et de qualification.

En juillet dernier, les chercheurs de l'installation de démonstration de fabrication ont produit une maquette de petite cuve sous pression nucléaire à l'aide de la technologie d'impression 3D à l'arc. Ce composant, d'environ 3 pieds × 5 pieds, a été fabriqué avec un alliage d'acier pertinent pour les applications nucléaires sur la plateforme MedUSA de l'ORNL. Cette plateforme utilise trois bras robotisés coordonnés pour fondre du fil métallique à l'arc et fabriquer des structures métalliques complexes. Cette maquette a ensuite été exposée lors de la journée d'innovation sur les matériaux et la fabrication.

La prochaine étape de l'équipe de recherche consistera à valider si les outils numériques dotés d'intelligence artificielle peuvent évaluer en temps réel la forme et les propriétés des matériaux de la cuve pendant le processus d'impression. Patxi Fernandez-Zelaia, chercheur principal à l'ORNL, a indiqué que l'équipe souhaite utiliser les données collectées pendant l'impression pour fabriquer des composants de cuve sous pression conformes aux exigences des normes et évaluer leur applicabilité dans des environnements extrêmes.

Dans les premiers travaux de ce programme, l'ORNL a également utilisé la même imprimante MedUSA et les matériaux associés pour la fabrication accélérée par intelligence artificielle du support de capteur de flux neutronique R1 Mark-0 pour la société Antares Nuclear Inc. Le R1 Mark-0 est un nouveau type de microréacteur qui a atteint la criticité en juin dernier à l'INL.

Jorgen Rufner, responsable de l'équipe de fabrication avancée à l'INL, a déclaré que ce projet combine l'expertise des deux laboratoires, intégrant l'intelligence artificielle, la science des données et les procédés avancés d'impression 3D pour évaluer les performances des composants en temps réel pendant leur impression, plutôt que de s'appuyer entièrement sur des essais après production.

Les deux laboratoires estiment que si ces méthodes d'impression et de validation parviennent à maturité, elles pourraient être utilisées pour la fabrication et la qualification d'un plus grand nombre de grands composants métalliques de réacteurs nucléaires, et pourraient également servir les industries chimique, pétrolière et gazière, de la défense et aérospatiale, qui dépendent de grandes structures métalliques.