« Les techniques de production avancées, telles que le pressage isostatique à chaud, peuvent contribuer à réduire les goulots d'étranglement dans la chaîne d'approvisionnement et ouvrir de nouvelles perspectives en matière de conception dans un secteur nucléaire en pleine expansion », explique Ian Tough, responsable du développement commercial chez Bodycote.
L'énergie nucléaire joue un rôle essentiel dans les réseaux énergétiques modernes, en fournissant une électricité de base fiable sans aucune émission de carbone à la source.
Alors que la consommation mondiale d'énergie ne cesse d'augmenter, le nucléaire s'impose comme une solution de plus en plus importante du côté de l'offre, garantissant la fiabilité du réseau. Les statistiques de l’Agence internationale de l’énergie montrent que la demande en électricité devrait croître au moins 2,5 fois plus vite que la demande énergétique globale d’ici 2030, sous l’effet de l’augmentation de la consommation industrielle d’électricité, de l’adoption croissante des véhicules électriques, de l’utilisation accrue de la climatisation, ainsi que de l’expansion des centres de données et de l’intelligence artificielle. Ces besoins accrus devront être satisfaits par des sources plus durables, le nucléaire étant appelé à jouer un rôle plus important que jamais.
En conséquence, le secteur nucléaire évolue à mesure que de nouveaux flux d’investissement et de nouveaux modèles de réacteurs commencent à voir le jour. Auparavant, ce secteur se caractérisait par des mégaprojets soutenus par l’État, la construction de nouvelles centrales nucléaires coûtant des dizaines de milliards de dollars et nécessitant de nombreuses années pour être achevée. Cependant, les besoins énergétiques urgents poussent à la recherche de solutions plus flexibles et évolutives, en particulier les petits réacteurs modulaires (SMR), dont la puissance est généralement inférieure d’environ un tiers à celle des réacteurs nucléaires traditionnels. Une puissance moindre nécessite un encombrement physique réduit, ce qui est essentiel lorsqu’il s’agit de les construire sur site, à proximité immédiate de centres de données.
Amazon mise sur les réacteurs de petite taille (SMR) pour fournir une énergie fiable et sans carbone à ses centres de données et à ses systèmes d’intelligence artificielle, et a déjà annoncé son intention de construire un réacteur au sein d’un site d’énergie nucléaire de pointe dans l’État de Washington, aux États-Unis. Parallèlement, l’armée américaine recherche des fournisseurs commerciaux potentiels pour construire des centrales à microréacteurs sur neuf sites militaires.
À plus long terme, les efforts visant à faire progresser la fusion nucléaire avancée – le processus qui alimente le Soleil et d’autres étoiles – à l’échelle des centrales électriques ouvriront de nouvelles perspectives, à mesure que des dizaines de centrales de démonstration seront construites à travers le monde. L’intérêt pour la technologie nucléaire n’a donc jamais été aussi fort, avec des perspectives de développement dans de nombreux secteurs et applications.
Présentation de nouvelles techniques de production
Cependant, le secteur nucléaire est confronté à un problème. Le caractère historiquement irrégulier de la construction de nouvelles centrales nucléaires, marqué par des périodes d’essor et de ralentissement, a entraîné une consolidation de la chaîne d’approvisionnement, ce qui a réduit le nombre de fournisseurs expérimentés et qualifiés. La concentration géographique des principales capacités de production nucléaire a encore accru le risque d’approvisionnement dans un contexte géopolitique de plus en plus incertain.
Il est essentiel de noter que les composants nucléaires critiques exigent une précision extrême et des contrôles de qualité approfondis, ce qui se traduit par d’importants arriérés de commandes et de longs délais de livraison. Certains pièces moulées et forgées ont des délais d’attente de plusieurs mois, voire plusieurs années, car le nombre limité de fournisseurs peine à répondre à la demande. Parallèlement, les exigences strictes liées aux composants nucléaires rendent difficile l’adaptation à grande échelle des procédés de fabrication traditionnels.
C'est là que le recours accru à des techniques de production avancées pourrait faire la différence. L’une de ces approches est le pressage isostatique à chaud (PM-HIP) issu de la métallurgie des poudres, un procédé bien établi qui bénéficie d’une longue expérience d’application dans des secteurs critiques tels que l’exploitation sous-marine de pétrole et de gaz, l’aérospatiale et le secteur médical, et qui est déjà homologué pour une utilisation conforme aux codes nucléaires. Le PM-HIP est un procédé de formage de pointe qui utilise une pression et une température élevées pour produire, à partir d’alliages en poudre, des composants métalliques de forme proche de la forme finale, dotés de propriétés mécaniques exceptionnelles. Dans les applications nucléaires, ce procédé offre plusieurs avantages révolutionnaires. Parmi ceux-ci figurent des délais de production nettement plus courts pour les composants de forme proche de la forme finale, car les pièces peuvent être fabriquées avec une géométrie plus proche de celle du produit fini, ce qui réduit le recours à un usinage, un soudage et un post-traitement intensifs par rapport aux méthodes traditionnelles. Le PM-HIP s’appuie également sur une base d’approvisionnement mature et répartie aux États-Unis, au Royaume-Uni et dans l’Union européenne, ce qui contribue à atténuer bon nombre des contraintes de la chaîne d’approvisionnement associées à d’autres approches.
Ce procédé présente également d’importants avantages techniques. Le PM-HIP permet d’améliorer les performances des pièces en produisant des composants exempts de fissures et de porosité. Dans un premier temps, la poudre métallique atomisée est chargée dans un récipient en tôle, puis soumise à des températures élevées (jusqu’à 2 000 °C) sous une pression d’argon appliquée de manière isostatique (jusqu’à 45 000 psi). Dans ces conditions extrêmes, juste en dessous du point de fusion du matériau, la poudre se lie de manière métallurgique, ce qui élimine toute porosité et tous les vides internes. La poudre se transforme en un solide dense, et la microstructure obtenue devient entièrement isotrope, le composant présentant des propriétés mécaniques uniformes dans toutes les directions sur l’ensemble de la pièce. Cette microstructure fine et isotrope permet d’obtenir des pièces plus résistantes et plus résistantes à la fatigue – des caractéristiques techniques essentielles pour les applications nucléaires.
Une plus grande flexibilité de conception constitue également un facteur important, permettant aux ingénieurs de repenser la conception des composants avec des topologies impossibles à réaliser avec d’autres techniques, telles que le moulage ou le forgeage. Les géométries PM-HIP complexes comportant des éléments intégrés sont plus faciles à réaliser, combinant plusieurs pièces en un seul composant ; même les conceptions bimétalliques sont possibles avec le PM-HIP ou le soudage par diffusion HIP. Cela peut se traduire par une réduction du nombre de soudures et de points d’inspection, ainsi que par l’éloignement des soudures des zones soumises à de fortes contraintes ; le PM-HIP permet ainsi de passer d’une approche axée sur la fabrication à une conception intégrée. Toutefois, pour tirer pleinement parti de ces avantages, il est nécessaire de s’impliquer dès les premières étapes de la conception et de s’éloigner de la logique traditionnelle axée sur la fabrication.
À l’avenir, le PM-HIP pourrait même permettre l’utilisation de nouvelles techniques telles que la fabrication additive par arc électrique (WAAM), qui consiste à déposer des couches de métal les unes sur les autres jusqu’à obtenir la forme 3D souhaitée. La technologie WAAM présente un potentiel considérable pour la production de pièces métalliques de grande taille et hautement optimisées, mais nécessiterait dans de nombreux cas un post-traitement HIP pour garantir leur intégrité. Dans ce contexte, le HIP devient une étape indispensable, garantissant la densité et l’homogénéité requises pour les pièces de qualité nucléaire.
Cas d'utilisation du PM-HIP dans le domaine nucléaire
Comment ces capacités se traduisent-elles donc en applications nucléaires potentielles où la précision, la fiabilité et la sûreté sont des critères incontournables ? Pour les réacteurs à fission traditionnels, la technologie PM-HIP pourrait être utilisée pour fabriquer des composants du circuit primaire à haute intégrité, tels que les canalisations et les raccords, ainsi que les éléments internes du réacteur et les composants sous pression.
Cette technologie est également particulièrement bien adaptée au marché des réacteurs de petite taille (SMR), où les composants peuvent être produits en petites ou moyennes séries sans nécessiter d’outillage coûteux ni d’infrastructures existantes. Sa compatibilité avec les principes de construction modulaire en fait une option intéressante pour les futurs réacteurs. Par ailleurs, pour les réacteurs à fusion avancés, elle peut être utilisée pour la fabrication de panneaux soumis à des températures et des charges élevées, comme cela a déjà été démontré lors de la production des panneaux de la paroi en contact avec le plasma destinés à l’installation ITER de Cadarache, dans le sud de la France.
Les composants essentiels au bon fonctionnement du réacteur à fusion ITER, tels que le système de couverture, nécessitent un pressage isostatique à chaud afin d'assurer la protection du réacteur (Source : ITER)
Il est essentiel de noter que les techniques de production avancées, telles que le PM-HIP, peuvent être utilisées dans le cadre d’une gamme de technologies capables de soutenir les performances nucléaires. Par exemple, le traitement thermique et l’ingénierie des surfaces jouent également un rôle crucial pour garantir que chaque composant nucléaire réponde à des normes extrêmement exigeantes en matière de sécurité, de traçabilité et de performances à long terme dans des environnements d’exploitation extrêmes. Le traitement des matériaux détermine des propriétés telles que la résistance mécanique, la durabilité, la résistance à la corrosion et la résistance à l’usure, et doit être réalisé de manière cohérente, entièrement contrôlée et conforme.
Bodycote un partenariat stratégique visant à évaluer l'utilisation du procédé HIP pour la fabrication de composants de réacteurs à partir des matériaux exclusifs de Blykalla (Source : Folk Studion)
Des traitements thermiques spécifiques, tels que la trempe excessive, le revenu, le vieillissement, le recuit de mise en solution et la stabilisation, sont utilisés pour conférer aux différents aciers inoxydables et composants à base de nickel les propriétés de service requises. Parmi les pièces généralement traitées figurent les tuyauteries, les éléments de pompes, les bagues et les arbres. Parallèlement, l’ingénierie des surfaces joue un rôle tout aussi crucial, en prévenant l’usure, la corrosion et le grippage dans des systèmes clés tels que les mécanismes des barres de contrôle, où la fiabilité est essentielle au fonctionnement sûr du réacteur.
En résumé, la fabrication nucléaire de pointe repose sur un écosystème technologique. Aucun composant n’entre dans un réacteur sans avoir fait l’objet d’une production de pointe, d’un traitement thermique contrôlé et d’une ingénierie des surfaces ; l’industrie dépendra de plus en plus d’un réseau mondial de fournisseurs métallurgiques capables de réduire les délais de livraison, d’améliorer la conception, de prolonger la durée de vie et de garantir une qualité irréprochable sur le long terme.
Choisir le bon partenaire de production
Le secteur nucléaire traverse donc une période passionnante, marquée par une hausse des investissements et l'émergence de nouveaux types de générateurs. Toutefois, le succès futur de ce secteur dépendra de la rapidité, de l'évolutivité et de la confiance.
Les procédés thermiques avancés joueront un rôle essentiel dans cette évolution. Des techniques telles que le PM-HIP, associées à des technologies de traitement thermique et de traitement de surface, ouvriront de nouvelles perspectives en matière de conception, garantiront l'intégrité des matériaux et permettront de réduire les risques et les retards liés à la chaîne d'approvisionnement.
Bodycote le premier opérateur mondial en matière de capacités de fabrication HIP, et nos technologies de pointe en matière de traitement thermique garantissent que les composants essentiels à la mission fonctionnent de manière fiable dans les conditions les plus extrêmes. Qu'il s'agisse d'assemblages de réacteurs à haute intégrité, d'équipements pour systèmes de fluides ou de cuves de recherche sur la fusion, notre réseau mondial est reconnu pour son excellence métallurgique, qui favorise les énergies à faible empreinte carbone, prolonge la durée de vie des équipements et garantit une qualité irréprochable.
À l'avenir, Bodycote bien placée pour jouer un rôle central dans la refonte des méthodes de construction des nouveaux réacteurs nucléaires, puis pour contribuer à leur mise en œuvre à grande échelle.
Cet article a été publié pour la première fois par Nuclear Engineering International