Thèse soutenue

Fabrication additive de composants pour l'énergie nucléaire

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Auteur / Autrice : Emile Liboutet
Direction : Sophie CostilChristophe VerdyBertrand Stepnik
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Matériaux
Date : Soutenance le 13/01/2023
Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
Jury : Président / Présidente : Pascal Mognol
Examinateurs / Examinatrices : Sophie Costil, Christophe Verdy, Bertrand Stepnik, Philippe Bertrand, Olivier Tougait, Bernard Normand, Frédéric Bernard
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Bertrand, Olivier Tougait

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Framatome est un des leaders mondiaux de l’industrie nucléaire. Son cœur de métier est la fabrication de réacteurs nucléaires et de combustibles nucléaires.Parmi le parc de réacteurs, principalement deux catégories se distinguent : les réacteurs de puissance et les réacteurs de recherche. Les réacteurs de recherche sont des mini réacteurs nucléaires utilisés par les universités et les centres de recherche qui servent à la formation, la recherche, le développement des composants des réacteurs de puissance, la fabrication de neutrons pour des expériences scientifiques, l’irradiation de matériaux pour l’industrie et la fabrication de radio-isotope pour le domaine médical. Il est nécessaire que leurs combustibles soient denses en uranium afin de d’entretenir les réactions nucléaires et maximiser leur rendement. Le programme RERTR (Reduced Enrichment for Research and Test Reactors), mis en place en 1978, poursuit l'objectif d'optimisation de la densité en uranium fissile des combustibles de réacteurs de recherche pour pallier la réduction de l’enrichissement de 93% à 20% en 235U. Après avoir développé de nouveaux alliages à plus forte densité, d’autres recherches sont alors mises en place afin de permettre l’amélioration des cœurs par divers moyens. Une des voies possibles est de travailler sur la géométrie du cœur de plaque.Les techniques actuelles de fabrication de plaques de combustibles nucléaires de recherche sont le laminage et l’extrusion à partir de poudres d’uranium métallique compactées à froid. Ces deux technologies ont trois principales limitations. Tout d’abord, elles imposent aux plaques d’avoir des géométries de cœur planes ou cylindriques alors que la géométrie des réactions nucléaires est plutôt sphérique et dictée par les fuites et la modération des neutrons dans le cœur du réacteur. Ensuite, ces technologies sont basées sur de grandes déformations. Le cœur de plaque en uranium est en effet dilué dans une matrice ductile en aluminium pour permettre cette déformation tout en restant dans le domaine élastique. Le pourcentage d’aluminium ajouté dans le cœur est d’environ 40% en masse. Enfin, les grandes déformations appliquées lors du laminage ou de l’extrusion induisent des vagues de déformation sur le cœur de plaque et ainsi la formation de surépaisseurs sur le cœur de plaque. Elles sont compensées par la diminution de l’épaisseur du cœur de plaque en uranium de près de 20%. L’ensemble de ces contraintes technologiques induisent une perte de masse en uranium de prêt d’un facteur deux dans le cœur de plaque. Le changement de technologie pourrait permettre de s’affranchir de ces limitations.Les plaques combustibles des réacteurs nucléaires de recherche sont des objets à haute valeur ajoutée, de petite taille (typiquement 1000 x 60 x 1.3 mm), fabriqués en petite série, non standardisés, avec de nombreux designs différents et utilisant des poudres métalliques. Ces caractéristiques sont parfaites pour la fabrication additive. De plus, les améliorations actuelles recherchées sont l’optimisation géométrique avec des géométries plus complexes que celles actuellement possibles. Ces avantages sont là aussi typiquement ceux de la fabrication additive. Nous avons donc un cas d’usage qui semble bien adapté à la fabrication additive. Cependant, il existe une difficulté de taille. La poudre métallique d’uranium utilisée est radioactive et inflammable dans l’air. Elle nécessite d’être manipulée en boite à gant ce qui complexifie la mise en œuvre des technologies de fabrication additiveC’est précisément pour répondre à ces exigences qu’un projet de recherche est né entre l’entreprise Framatome et l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard afin d’étudier les procédés de fabrication additive susceptibles de fabriquer des plaques de combustible nucléaire de recherche. Deux procédés de fabrication additive ont été sélectionnés et expérimentés : La projection Cold Spray et la micro fusion sur lit de poudre.