Au cours des dernières décennies, la fabrication additive (AM, également connue sous le nom d'impression 3D) est devenue de plus en plus courante dans les processus de fabrication. Bien qu'immensément utile dans le prototypage de nouveaux produits en permettant des délais de rotation rapides entre la conception et les tests, de nos jours, la fabrication additive est de plus en plus utilisée dans la production de tout, des petites séries de production de boîtiers personnalisés aux composants difficiles à usiner pour moteurs de fusée.

L'avantage évident de la fabrication additive est qu'ils utilisent des équipements génériques et des matériaux communs comme intrants, sans nécessiter de moules coûteux comme dans le cas du moulage par injection, ou d'un usinage extensif et coûteux des matières premières sur un tour, un laminoir et des équipements similaires. Toute la fabrication est réduite à un modèle 3D en entrée, un ou plusieurs matériaux d'entrée et le dispositif réel qui convertit le modèle 3D en un composant physique avec des déchets très limités.

Dans le secteur de l'énergie nucléaire, ces avantages ne sont pas passés inaperçus, ce qui a conduit au développement de pièces imprimées en 3D pour tout, du maintien des installations existantes à la rationalisation du retraitement du combustible usé et même l'impression de réacteurs nucléaires entiers.

Pas votre imprimante FDM habituelle

Comme peut en témoigner toute personne ayant utilisé une imprimante 3D capable d'imprimer du PLA, de l'ABS ou utilisant de la résine sensible aux UV (SLA), il est difficile de battre le prix de la plupart des pièces que l'on peut fabriquer de cette façon. Du remplacement d'un engrenage en nylon cassé dans un servo à l'impression d'un boîtier personnalisé pour un nouveau PCB, le processus est plus rapide et moins cher que de le fabriquer de manière traditionnelle, tant qu'il ne faut que quelques pièces au maximum.

Relativity Space imprime son moteur Aeon (via Vimeo)

C'est là que l'industrie aérospatiale, de la NASA aux start-ups de l'industrie spatiale, s'est vraiment préparée à utiliser la fabrication additive pour le prototypage et la production. En ce qui concerne les moteurs-fusées et les innombrables pièces, y compris les turbopompes et les soupapes qui les font fonctionner, l'impression 3D est parfaite lorsque chaque prototype de moteur est différent, et une production de quelques centaines par an, comme c'est le cas pour le Merlin 1D moteur qui propulse la fusée SpaceX Falcon 9. Des start-ups comme Relativity Space estiment que AM va changer la donne pour l'industrie spatiale.

Bien sûr, à ce stade, nous ne parlons plus d'une imprimante FDM à 2000 $ (ou moins) imprimant certaines pièces PLA ou ABS, ou même une de ces imprimantes SLA sophistiquées qui peuvent coûter autant qu'une voiture neuve. Pour imprimer des pièces en aluminium et même en titane, il faut une imprimante SLM (Selective Laser Melting) ou une imprimante similaire Direct Metal Laser Melting (DMLM). C'est encore une étape au-delà des imprimantes SLS (Selective Laser Sintering), qui collent le matériau (par exemple le nylon, le métal, la céramique ou le verre), mais sans le faire fondre.

SLM peut être représenté comme une impression SLA, sauf que la direction d'impression est inversée, avec de la poudre de métal fraîche ajoutée au-dessus de la pièce à imprimer afin que le laser puisse ensuite faire fondre cette poudre et ajouter une autre couche. Cela se produit dans une chambre étanche remplie d'un gaz inerte pour empêcher l'oxydation. Comme on peut le deviner, les machines pour SLM coûtent plus cher sur l'ordre d'une maison entière.

À des fins de comparaison, le site Web All3DP indique combien coûte le modèle standard «Benchy» lorsqu'il est imprimé avec divers métaux:

  • Plastique métallique: 22,44 $ (ancien «Alumide», PLA avec aluminium)
  • Acier inoxydable: 83,75 $ (plaqué, poli)
  • Bronze: 299,91 $ (solide, poli)
  • Argent: 713,47 $ (solide, poli miroir)
  • Or: 87,75 $ (plaqué or, poli)
  • Or: 12540 $ (or massif 18 carats)
  • Platine: 27314 $ (solide, poli)

Going Nuclear

Passer de l'enfer thermique qui est un moteur-fusée à l'environnement relativement doux – mais peut-être plus irradié – d'un réacteur nucléaire est un saut logique pour AM. Alors que les réacteurs nucléaires bénéficient d'économies d'échelle lorsqu'ils sont construits en quantité, les dernières décennies ont vu ces économies pratiquement disparaître dans les pays qui avaient une industrie nucléaire forte, comme les États-Unis.

Lorsque d'anciens géants nucléaires comme les États-Unis et la France ont cherché à reprendre le jeu avec l'EPR dans le cas de ce dernier et l'AP1000 dans le cas du premier, on le trouve lorsque les mêmes centrales sont construites en Chine (avec une forte industrie nucléaire nationale), l'AP1000 (4 réacteurs) et l'EPR (2 réacteurs) ont fini par être connectés au réseau des années avant que les premiers réacteurs des pays qui les ont conçus ne devraient le faire. Ironiquement, les pompes de liquide de refroidissement produites aux États-Unis dans l'AP1000 se sont également avérées à plusieurs reprises défectueuses.

Un problème majeur avec tout projet majeur d'infrastructure est celui de l'expertise et des chaînes d'approvisionnement. Lorsque les pays construisent et entretiennent régulièrement des centrales nucléaires, ils maintiennent à la fois les chaînes d'approvisionnement et l'expertise requise pour les faire fonctionner. Lorsqu'une nation cesse de construire de nouvelles centrales nucléaires depuis des décennies, ces chaînes d'approvisionnement disparaissent et l'expertise s'estompe. S'il est possible de reconstruire la capacité de fabrication et les compétences pour les nouvelles centrales nucléaires, c'est aussi le point où il est logique d'envisager des approches de fabrication différentes et plus efficaces.

Afin de rendre à nouveau l'industrie nucléaire américaine compétitive avec des pays comme le Canada, la Russie et la Corée du Sud, le département américain de l'Énergie a chargé le Oak Ridge National Laboratory (ORNL) de diriger le programme Transformational Challenge Reactor (TCR). Il vise à «démontrer une approche révolutionnaire du déploiement de nouveaux systèmes électronucléaires». Essentiellement, l'objectif est d'imprimer en 3D autant de micro-réacteurs que possible, comme une démonstration des possibilités qu'AM offre ici.

Élaborer les détails

En collaboration avec le laboratoire national d'Argonne (ANL) et le laboratoire national d'Idaho (INL), l'ORNL élabore les nombreux détails qu'un tel changement de fabrication apporte, en particulier compte tenu des exigences strictes pour les matériaux utilisés dans ou sur un réacteur nucléaire. Des questions telles que la façon dont la MA affecte les propriétés de fluage et de fatigue de ces matériaux, par rapport aux pièces de fabrication traditionnelle. Certains résultats de ces études par l'ANL sont couverts dans un article récent, qui donne une bonne impression de la quantité de travail qui va dans l'étude de la viabilité de cette approche.

ANL a précédemment publié des résultats sur l'impression SLM et l'utilisation de séquences vidéo à rayons X à haute vitesse pour capturer les détails les plus fins de ce qui se passe pendant ce processus. Un problème majeur qu'ils ont trouvé est celui du flux d'air induit, qui entraîne l'aspiration de matériaux plus froids dans le bain de métal en fusion. Ces taches de matériau plus froid finissent par provoquer des défauts dans le produit final.

Comme indiqué dans la fiche technique TCR et sur le site ORNL TCR, le microréacteur utiliserait des particules de combustible TRISO (nitrure d'uranium), un modérateur de neutrons à l'hydrure d'yttrium et le noyau imprimé en 3D, en carbure de silicium et en acier inoxydable. Le réacteur serait refroidi à l'hélium, ce qui le rendrait assez unique, car la plupart des conceptions actuelles du réacteur utilisent soit de l'eau, de l'eau lourde ou du sodium pour le liquide de refroidissement.

Comme le programme TCR est assez nouveau (première publication de 2019), il est difficile d'évaluer la progression exacte ou d'avoir une idée précise de ce que l'on peut en attendre. Il pourrait être utile ici d'examiner ce qui a été accompli en termes d'intégration de la MA dans l'industrie nucléaire jusqu'à présent.

AM dans l'énergie nucléaire jusqu'à présent

À l'heure actuelle, les seuls composants imprimés en 3D qui en ont fait des réacteurs nucléaires sont des pièces assez simples. En 2017, Siemens a remplacé la roue métallique de 108 mm dans une pompe de protection contre l'incendie Krško centrale en Slovénie avec une réplique imprimée en 3D. Le fabricant d'origine de la pompe avait cessé ses activités depuis l'installation de la pompe vers 1980.

Westinghouse travaille également dans ce domaine, après avoir récemment installé un dispositif de bouchage de dé à imprimer en 3D à l'unité 1 du Byron d'Exelon. Ce type d'appareil retient les crayons combustibles lors de leur descente dans le réacteur. Une grande partie de cette installation consiste à voir quel est l'effet à long terme de l'environnement du réacteur sur le matériau imprimé en 3D, par rapport aux composants de fabrication traditionnelle.

Emballer

Il est clair que l'impression 3D a un bel avenir dans la fabrication. Pour l'industrie nucléaire, il ne s'agit pas seulement d'un bon moyen de produire des pièces de rechange pour un réacteur de plus de soixante ans avec au moins la moitié des fournisseurs d'origine disparus ou ayant changé d'inventaire. Avec une foule d'autres nouvelles technologies de fabrication, il offre également de nouvelles options passionnantes en ce qui concerne les nouvelles générations de réacteurs nucléaires, qu'ils soient à fission ou à fusion.

De l'accélération du prototypage de nouveaux réacteurs et concepts à la possibilité de réacteurs alimentant des communautés éloignées et de futures colonies de Lune et de Mars, sans avoir à s'appuyer sur une chaîne d'approvisionnement compliquée, les avantages sont évidents. Le coût n'est pas pris en compte ici, car la production d'un réacteur de cette manière devrait être nettement moins chère et pourrait permettre une fabrication et un assemblage locaux.

De toute évidence, tout cela est une mauvaise nouvelle pour les personnes n'ayant pas accès à une imprimante SLM ou similaire, mais qui sait, peut-être que dans une dizaine d'années encore, nous imprimerons tous nos propres moteurs de fusée et composants de réacteurs à fusion à la maison.

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