La fabrication rencontre la réglementation nucléaire
Les réacteurs nucléaires avancés font face à un paradoxe : les conceptions en cours de développement aujourd'hui sont censées être plus sûres, plus efficaces et plus flexibles que les réacteurs à eau légère existants, mais les voies réglementaires qui régissent leur construction ont été écrites pour les méthodes de fabrication de la génération précédente. Les matériaux qui n'étaient pas disponibles ou peu pratiques au moment de la rédaction des codes peuvent désormais être produits avec une haute précision, mais ils ne peuvent pas être utilisés légalement dans les composants nucléaires tant qu'ils ne reçoivent pas une approbation formelle par des processus de normalisation qui peuvent prendre de nombreuses années.
Le Laboratoire national d'Argonne travaille pour combler cette lacune. Les chercheurs d'Argonne ont soumis un projet de Code Case à l'American Society of Mechanical Engineers qui permettrait l'utilisation de Laser Powder Bed Fusion - une technique de fabrication additive haute précision - pour les composants utilisés dans les applications de réacteurs nucléaires haute température. S'il est approuvé, le changement de code ouvrirait la voie à la fabrication de pièces de qualité nucléaire avec une complexité géométrique et des propriétés de matériaux que les méthodes d'usinage traditionnelles ne peuvent pas réaliser efficacement.
Ce que Laser Powder Bed Fusion offre
Laser Powder Bed Fusion est l'un des procédés d'impression 3D métal les plus performants disponibles. Un laser haute puissance fusionne sélectivement de la poudre de métal couche par couche, avec une résolution de caractéristiques mesurée en fractions de millimètre, pour produire des pièces avec des géométries internes complexes, des canaux de refroidissement optimisés et des compositions de matériaux personnalisées qui seraient impraticables ou impossibles à usiner à partir d'une pièce brute. Pour les composants de réacteurs nucléaires, cela se traduit directement par une liberté de conception que les ingénieurs n'ont pas pu exploiter auparavant.
Les composants de réacteur soumis à des températures élevées et au flux de neutrons nécessitent des matériaux avec des propriétés microstructurales précises. La fabrication conventionnelle s'appuie sur des séquences de traitement thermique et d'usinage soigneusement contrôlées pour obtenir ces propriétés dans des géométries simples. LPBF peut produire des microstructures équivalentes ou supérieures dans des formes complexes en contrôlant l'historique thermique de chaque couche déposée par les paramètres du laser. Le résultat est une pièce qui égale ou surpasse la qualité de la fabrication traditionnelle tout en permettant des géométries qui améliorent les performances thermiques, réduisent le poids ou simplifient l'assemblage.
Le processus ASME Code Case
Le Code ASME pour les chaudières et appareils à pression est la norme technique faisant autorité pour l'équipement supportant la pression dans les installations nucléaires aux États-Unis. Les matériaux et procédés utilisés dans les composants nucléaires liés à la sécurité doivent avoir une approbation explicite de Code Case avant de pouvoir être incorporés dans des installations agréées. L'obtention de cette approbation nécessite de soumettre des données techniques sur les propriétés des matériaux, les contrôles des procédés de fabrication et les méthodes d'examen non destructif aux comités ASME qui examinent et votent sur les nouveaux Code Cases.
La soumission du projet de Code Case d'Argonne est le début formel de ce processus pour LPBF. L'équipe a rassemblé des données sur les propriétés mécaniques des échantillons d'acier inoxydable et d'alliage de nickel produits par LPBF dans la plage de température pertinente pour le fonctionnement des réacteurs avancés, et a démontré que ces propriétés répondent ou dépassent les minimums requis pour le service nucléaire.
Implications de la chaîne d'approvisionnement et de la conception
La chaîne d'approvisionnement de l'industrie nucléaire pour les composants spécialisés est notablement restreinte. L'univers des fabricants capables de produire des forges, des moulages et des composants usinés de qualité nucléaire est petit, leurs processus de qualification sont longs, et leurs délais de livraison pour les pièces critiques se mesurent en années. Ce goulot d'étranglement de la chaîne d'approvisionnement a été identifié à plusieurs reprises comme un facteur limitant le rythme auquel les projets de réacteurs avancés peuvent être construits.
La fabrication LPBF ne nécessite pas la même infrastructure de fonderie spécialisée que la production conventionnelle de composants nucléaires. Une fois qu'un fabricant reçoit l'approbation du Code Case pour son processus LPBF spécifique et son équipement, il peut produire des composants de réacteur innovants avec des délais de livraison mesurés en semaines plutôt qu'en années pour les pièces plus simples, et en mois plutôt qu'en plusieurs années pour les composants complexes.
Pression du calendrier des réacteurs avancés
Le moment du lancement du Code Case d'Argonne reflète une urgence croissante autour du déploiement des réacteurs avancés. Des dizaines de conceptions de réacteurs avancés - y compris les microréacteurs pour les emplacements reculés, les conceptions à sels fondus et les réacteurs à gaz haute température - progressent dans les processus d'examen de la NRC avec l'attente que certains reçoivent des permis de construction au cours des prochaines années. Chacune de ces conceptions nécessite une chaîne d'approvisionnement de composants qualifiés, et l'absence de LPBF en tant que méthode de fabrication approuvée a été une limitation de la flexibilité de conception.
Si le Code Case progresse selon un calendrier normal dans l'examen ASME, l'approbation pourrait arriver dans un délai de deux à trois ans, s'alignant sur les calendriers de construction pour les projets de la prochaine génération les plus avancés et offrant une option de fabrication qui n'existait pas pour la génération actuelle de conceptions de réacteurs.
Cet article est basé sur des reportages d'Interesting Engineering. Lisez l'article original.
Originally published on interestingengineering.com
