NUCOBAM : Augmenter la rentabilité de l'industrie nucléaire et améliorer la sûreté

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Aug 18, 2023

NUCOBAM : Augmenter la rentabilité de l'industrie nucléaire et améliorer la sûreté

L'objectif principal de NUclear COmponent Based on Additive Manufacturing (NUCOBAM) est

L'objectif principal de NUclear COmponent Based on Additive Manufacturing (NUCOBAM) est de développer le processus de qualification permettant l'utilisation d'un tel composant métallique Additively Manufactured (AM) dans une installation nucléaire. Une fois qualifiée, l'utilisation de la FA permettra à l'industrie nucléaire de relever les défis de l'obsolescence des composants, de fabriquer et d'exploiter de nouveaux composants avec une conception optimisée. Cela augmentera l'efficacité et la sécurité du réacteur. Ces développements seront utilisés pour trois applications principales dans trois périodes différentes :

Ce projet étudie le processus de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) pour consolider les matériaux en acier inoxydable pour les composants nucléaires des réacteurs à eau légère (LWR) existants. Les mécanismes de dégradation conventionnels tels que l'irradiation, le vieillissement thermique, les chargements mécaniques ainsi que la fissuration assistée par l'environnement telle que la corrosion par fissure de contrainte sont examinés.

Pour étudier en profondeur les propriétés physiques et mécaniques de l'acier inoxydable L-PBF, quatre partenaires de NUCOBAM ont produit des échantillons de fabrication additive : VTT, AMRC, Laborelec et CEA (voir exemple de procédé sur la Fig. 1). Le consortium européen, composé de 13 partenaires, associe ses compétences et ses ressources pour répondre à l'un des enjeux majeurs des composants des centrales nucléaires : le vieillissement des composants, qu'il s'agisse des effets de l'irradiation neutronique dans le cœur des réacteurs ou des problèmes de vieillissement thermique pour des durées de fonctionnement de plus en plus longues.

Deux applications en acier inoxydable (SS) 316L AM (voir Fig. 3) ont été prises en compte pour les tests en service :

La FA présente un grand intérêt pour les composants à géométrie complexe, comme les grilles, car elle réduit à la fois le coût et le temps par rapport à la fabrication conventionnelle par enlèvement de matière.

Le filtre à débris est également particulièrement intéressant à étudier en tant que composant dans le cœur et donc soumis à une dégradation par irradiation neutronique.

Les composants du corps de vanne AM présentent un grand intérêt car ils sont soumis à des contraintes thermiques et de pression, et doivent faire face aux problèmes de vieillissement des alliages d'acier inoxydable lors d'un fonctionnement à long terme.

Une fois que les deux conceptions du filtre à débris et du robinet à tournant sphérique ont été validées, les spécifications préliminaires du processus de fabrication additive (pAMPS) ont été établies.

Par conséquent, NUCOBAM s'est fixé cinq objectifs techniques et un objectif lié à la diffusion, comme indiqué ci-dessous.

Établir une méthodologie de qualification des composants nucléaires AM à proposer pour normalisation et à communiquer aux comités du code de conception nucléaire :L'industrie nucléaire et les régulateurs ont besoin d'un processus de qualification et de codification fiable pour la FA comme base pour la fabrication et l'utilisation futures des composants dans les centrales nucléaires.

Élaborer un plan de fabrication par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) qui assure et démontre la stabilité, la répétabilité et la reproductibilité du procédé qui répondent aux normes de qualité nucléaire :Les processus de qualification et de codification doivent garantir que la FA fournit des résultats stables, homogènes et reproductibles en termes de performances des matériaux.

Démontrer que les performances du matériau L-PBF répondent aux exigences de qualification :Les processus de qualification et de codification doivent garantir que la FA fournit des performances de matériaux en accord avec les exigences existantes pour les processus de fabrication conventionnels.

Démontrer que le cas d'utilisation L-PBF dans le cœur répond à sa fonction liée à la sécurité et à ses exigences opérationnelles (voir IBAM sur la Fig. 4) :Le fonctionnement sûr et fiable des composants AM dans un réacteur doit démontrer que le comportement du matériau AM sous irradiation est conforme à l'expérience de terrain existante et ne subit aucune dégradation inacceptable.

Évaluer les performances opérationnelles des composants AM ex-core en ce qui concerne la fonction liée à la sécurité et les exigences opérationnelles :Le fonctionnement sûr et fiable des composants AM dans les centrales nucléaires doit démontrer que les composants AM répondent aux exigences fonctionnelles dédiées et que le matériau AM ne subit aucune dégradation inacceptable.

Diffuser et préparer l'exploitation des résultats auprès des industriels du nucléaire et des instances réglementaires en appui à la codification et à l'industrialisation de la FA :Un niveau de confiance élevé doit être atteint et partagé entre l'industrie nucléaire et l'organisme de réglementation pour le fonctionnement futur des composants AM dans les centrales nucléaires.

Des démonstrateurs correspondants et des échantillons associés ont été fabriqués et certains d'entre eux seront soumis à un post-traitement (traitement thermique ou haute pression isostatique). Les résultats seront analysés et comparés aux processus de fabrication approuvés existants par les codes de conception. Ce travail permettra d'évaluer les lacunes à combler avant d'atteindre les objectifs du projet, et d'en déduire les principaux paramètres nécessaires à la spécification.

NUCOBAM apportera des avancées majeures, dont bénéficieront :

Les partenaires en charge de la conception de deux composants nucléaires sont des industriels potentiels tels que Framatome, Naval Group et Ramén Valve. Ces deux composants seront testés pour répondre aux critères d'acceptation de l'industrie nucléaire. Les propriétés du 316L SS fabriqué par le procédé L-BPF seront étudiées après irradiation. Le partenaire belge SCK-CEN a réalisé le travail de préparation de huit capsules nommées In-pile Behavior of Additively Manufactured samples (voir la conception de la capsule IBAM sur la Fig. 4). Le projet est particulièrement ambitieux en termes d'irradiation : les matériaux AM Stainless Steel 316L seront irradiés aux neutrons dans le réacteur d'essai BR2 ainsi que dans une centrale nucléaire en exploitation. L'irradiation a commencé depuis environ 18 mois.

La stratégie d'acceptation de la fabrication additive métallique dans le secteur nucléaire est de mettre en œuvre directement la qualification du procédé et du composant dans les codes et normes de conception nucléaire, comme le code nucléaire français des règles de conception et de construction des composants mécaniques ou la norme américaine. Le projet a défini de nouvelles méthodes de contrôle qualité pour assurer la stabilité, la répétabilité et la reproductibilité des processus de FA.

L'ébauche de la méthode de qualification a été livrée à mi-parcours du projet, et sera complétée au cours des deux prochaines années du projet avec les résultats de quatre tâches principales : processus de qualification, caractérisation des matériaux L-PBF 316L, résistance des matériaux irradiés, et tests de pression fonctionnelle nucléaire et tests de vieillissement thermique sur le composant. L'épine dorsale de la norme a été définie à un stade précoce du projet et défini toutes les sections requises à documenter pour avoir une norme cohérente harmonisée avec la norme nucléaire existante sur le matériau 316L (obtenu par la fabrication classique et avec les nouvelles exigences pour AM qui existent dans d'autres normes nucléaires non spécifiques). L'objectif est d'avoir un document de « pré-codification » à proposer dans le code français RCC-M.

Un groupe d'utilisateurs finaux est constitué de 17 industries de neuf pays ; experts de l'industrie nucléaire sur les matériaux; fabrication additive, évaluation mécanique, industrie nucléaire et codification pour promouvoir les travaux de NUCOBAM dans le domaine nucléaire. Il fera connaître les partenaires impliqués dans la préparation des documents de pré-codification.

La gestion de l'obsolescence des centrales nucléaires reste un défi technique pour les propriétaires d'actifs européens, car les fabricants d'équipement d'origine (OEM), qui étaient historiquement soumis à des exigences d'assurance qualité nucléaire, peuvent ne pas être disposés à maintenir leur coûteuse qualification nucléaire. La plupart de ces industriels ont disparu ou ont quitté le nucléaire. Le projet contribuera à développer des qualifications approfondies pour les nouveaux fabricants de composants et d'équipements. La fabrication additive métallique a le potentiel unique de produire des composants proches de la forme dans un processus de fabrication en une étape, suivi d'étapes de post-traitement. Cette approche unique va simplifier la chaîne de valeur de fabrication et la rendre plus réactive et efficace pour la livraison de pièces uniques. Le développement d'un tel procédé de fabrication pourrait améliorer la fiabilité du matériau, réduire la séquence des étapes de fabrication, développer de nouveaux outils plus efficaces, améliorer les performances du matériau et développer une nouvelle conception de composants pour la nouvelle conception des centrales nucléaires.

Ensuite, le projet contribuera à concevoir des composants pour la conception de nouvelles centrales nucléaires ou l'exploitation de REO existants pour la rentabilité de l'industrie nucléaire, et à améliorer la sûreté nucléaire avec une conception de composants optimisée pour des performances plus élevées.

Le projet contribuera à créer une nouvelle industrie de fabrication additive et à soutenir l'emploi en Europe.

Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et de formation Euratom 2014-2018 dans le cadre de la convention de subvention n° 945313. Le contenu de ce document reflète uniquement le point de vue de l'auteur. La Commission européenne n'est pas responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qu'il contient.

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Établir une méthodologie de qualification pour les composants nucléaires AM à proposer pour normalisation et à communiquer aux comités du code de conception nucléaire : Élaborer un plan de fabrication par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) qui garantit et démontre la stabilité, la répétabilité et la reproductibilité du processus qui répondent aux normes de qualité nucléaire : Démontrer que les performances du matériau L-PBF répondent aux exigences de qualification : - exigences fonctionnelles et opérationnelles liées : Diffuser et préparer l'exploitation des résultats auprès des industries nucléaires et des organismes de réglementation en appui à la codification et à l'industrialisation de la FA : Courriel : Site Web :