Rencontre PNB - Entreprises

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1 Rencontre PNB - Entreprises Cadarache Mercredi 11 février 2015 FUEL RESEARCH DEPARTMENT ISTP-SAWG, 1/10/2013 CEA/Nuclear Energy Division DEN-DEC-SA3C / G. Ducros

2 Le LECA-STAR : maillon de la R&D du combustible CADARACHE La matière première du LECA-STAR Bouchon Soudures QUALIFICATION Documents Volume libre Pression interne Matériau combustible Matériau de gainage POST IRRADIATION EXAMINATION ANNEALING Jeu pastille/gaine TESTS TEST REACTOR Hauteur ~4m Diamètre 9,5mm ~300 pastilles Épaisseur gaine 0,57mm Pression interne : 15 à 30 bars d hélium CRAYON COMBUSTIBLE QUALIFICATION Documents PROGRAM DESIGN CHARACTERIZATION NON DESTRUCTIVE EXAMINATION FUEL RODLET REFABRICATION Notre travail Apporter des éléments pour garantir la performance, la fiabilité et la sûreté du combustible dans toute situation de fonctionnement du réacteur (nominal, incidentel, accidentel) / PAGE 2

3 Concevoir des crayons expérimentaux innovants Développement de nos compétences et des techniques pour disposer à l horizon 2020 d une offre performante adaptée aux besoins des clients (EDF, AREVA, NNL, ) Une augmentation du nombre de crayons expérimentaux avec les dispositifs ADELINE et MADISON Nos objectifs Qualité Quantité Répétabilité First irradiation rig: 4 instrumented PWR rods / 2 instrumentations per rod PAGE 3

4 Concevoir des crayons expérimentaux innovants 2014 Arrêt OSIRIS S améliorer, développer et innover pour préparer l avenir 2015 CABRI + Irradiations à l étranger Produire des crayons compétitifs techniquement et économiquement 2020 Irradiation dans le RJH Disposer d une offre étoffée (Fabrice et crayons instrumentés) de haut niveau technique PAGE 4

5 Innovation collaborative ou «open innovation» PROJET COLLABORATIF CEA/ENTREPRISES L open innovation vise : - à décloisonner la recherche et les développements dans les entreprises pour en réduire les coûts ou les partager avec d autres. - à ouvrir à un tiers la connaissance plus ou moins précise de sujets de recherche ou de préoccupations. Le partage des coûts est une motivation mais le fait de disposer plus rapidement de briques technologiques développées par d autres acteurs en est une autre La propriété industrielle peut être partagée selon les conditions établies dans le cadre des accords de collaboration. L open innovation est plutôt classée dans la recherche incrémentale avec des objectifs de résultats accessibles à court terme. Toutefois, au fil des échanges entre les partenaires peut naître une innovation en rupture. PAGE 5

6 PROJET DE DEVELOPPEMENT COLLABORATIF «OPEN INNOVATION» 2015 PROJET COLLABORATIF CEA/ENTREPRISES Fabrication de crayons, Instrumentation, Examens 2022 Intervention multi-services SLS SA3C SPEX DEC/DER/DTN/DTEC SESC.. Innovation «incrémentale» Innovation «en rupture» Automatisation Robotique Métrologie Capteurs innovants 3D (contrôle, caractérisation) Développement dans les domaines de la Robotique, de la Commande numérique, des Capteurs innovants et de l Imagerie 3D en milieu hostile Tissu industriel Pôles de compétitivité PME/PMI Capteurs, Imagerie 3D, Tomographie, PME/PMI Intégrateur, Outillages, Robotique, Partenaires académiques PAGE 6

7 Environnement et contraintes Cellules blindées (épaisseur béton 1 m) Les travaux mécaniques tels que l usinage et la découpe génèrent des particules radioactives fines qui impliquent de maîtriser la dispersion/contamination. Aucune intervention humaine possible (hors gros travaux d assainissement avec des moyens d intervention adaptés) Travail en téléopération ( + télé lourd et unité de levage) Ventilation dynamique, dépression Protections biologiques diverses (béton armé, hublot, traversées,..) Débit de dose important (BdF>1Gy) => électronique, contrôle commande/supervision à déporter. Visibilité limitée : 1 seul champ visuel direct (face au hublot), verre au plomb, caméra, périscope. 30 AVRIL 2015 PAGE 7

8 Défi n 1 : Opérations mécaniques élémentaires sur l e crayon combustible Les actions élémentaires sont la découpe, le dressage de la gaine, le forage et l usinage du combustible, le soudage laser sur la gaine et la pressurisation du crayon. Nos objectifs Sur la base d un équipement industriel robuste et fiabilisé (voir défi n 4) concevoir des outils pour chaque action élémentaire adapté aux différents type de matériaux (inox, zircaloy, oxyde d uranium ) : - Tête de soudage laser - Dressage, ébavurage - Ponceuse - Forêt et disque diamanté - Les voies de développement industrielles - Intégration des techniques avec un robot en milieu hostile - Potentiel de valorisation dans le domaine du démantèlement et/ou d installations comme ITER PAGE 8

9 Défi n 1 : Opérations mécaniques élémentaires sur l e crayon combustible Travaux sur les gaines et matériaux hors combustible Soudage de capteurs sur la peau externe d un crayon (crayons instrumentés). Nouvelles techniques d assemblage (soudage par friction, laser,..) Améliorer précision/reproductibilité/évolution/maintenance/soutien industriel => Tour à commande numérique compacte et nucléarisé. Etc.. Travaux sur le combustible Forage long sur les pastilles combustibles (dureté/mobilité/rugosité/coaxialité/cylindricité) Débourrage grande vitesse/ «gros volume» (dispersion/non-agression de la gaine, gestion captage des fines) Etc PAGE 9

10 Défi n 2 : Gestion de la dissémination et de la con tamination en cellule Les travaux mécaniques (usinage, découpe,..) génèrent des particules radioactives fines (pas de lubrification possible). Nos objectifs - Mettre en œuvre solutions techniques (existantes ou à développer) pour mesurer de façon directe, rapide et avec une bonne précision la contamination de cellules. - Plus largement, améliorer le suivi de la contamination en cellule Les voies de développement industrielles - Aspiration/conditionnement de matières contaminées - Mesures d activité en milieu très irradiant (couplage spectro gammagamma caméra, logiciel de traitement des données,..) - Potentiel de valorisation en milieu nucléaire car la détermination de la contamination dans les installations anciennes est un fort enjeu de sûreté Partenaires identifiés : CEA/Marcoule/DTEC 30 AVRIL 2015 PAGE 10

11 Défi n 2 : Gestion de la dissémination et de la con tamination en cellule Concept : un robot d inspection polyvalent doté d un système de mesure Bras articulé multi-positions, fixé sur la dalle supérieure et pouvant couvrir toute la cellule (capacité de 50kg, champ d intervention de 5*5 m) Déplaçable de cellule en cellule selon les besoins et piloter à distance (ZAV ou ZAR) Doté d un système d acquisition Interface unique en bout de bras permettant d utiliser de multiples outils : caméra visuelle, gamma-scanning, scan 3D, outils mécanique divers déconnectables éventuellement en cellule. A court terme Intervention CEA/Marcoule/DTEC (unité spécialisée dans la mesure notamment pour le domaine de l assainissement-démantèlement) En 2015, introduction de systèmes de mesure (spectrométrie, gamma caméra,..) dans une cellule du LECA (bras, système d écran, traitement logiciel, etc..) puis formalisation des méthodes d acquisition et de traitement des données PAGE 11

12 Défi n 3 : Examens non destructifs Nos objectifs - Acquérir des données physiques (mesurer une étanchéité, un volume libre, rechercher des défauts surfaciques ou volumiques, etc.) - Améliorer des procédés de découpe et de fabrication (crayons expérimentaux, conteneurs étanches) et contrôler les produits - Mesurer à travers un hublot de la cellule Les voies de développement industrielles - Mesure optique laser Stéréoscopie - Photogrammétrie - Acoustique / US sans couplant, sans liquide - Courants de Foucault - Thermographie active - Radiographie X - Tomographie X, γ - Potentiel de valorisation pour des examens en direct sur les Centres de Production Nucléaires (décennales, grand carénage par exemple) 30 AVRIL 2015 PAGE 12

13 Défi n 4 : Robotique en milieu hostile Les travaux mécaniques (usinage, découpe,..) avec des outils industriels précis, fiables et robustes» Nos objectifs - Modularité - Mesures : Support de capteur - Usinage : Porte outils - Manutention : Déplacement de pièces relativement lourdes - Précision de positionnement/mouvement - Répétabilité de mouvement - Programmable - Robustesse Les voies de développement industrielles - Commande numérique avec dispositif de confinement - Bras robotisé multi instrumenté 30 AVRIL 2015 PAGE 13

14 Défi n 4 : Robotique en milieu hostile Robot d assistance pour la fabrication des crayons expérimentaux - Robot à poste sur centre d usinage numérique multi-outil (type Coralie 2) - Capacité à réaliser des opérations de fabrication/assistance à la fabrication : changement outils, manipulation crayon, support tête de soudage, - Capacité à réaliser de la mesure : précision de positionnement importante (0,1 mm). Support d outil de mesure : scan 3D, caméra, contrôle de soudure, - Capacité à évoluer dans un environnement très irradiant : 1-10 Gy/h. Tenue à Gy et contaminant (articulations étanches) - Accroître notre capacité de production 30 AVRIL 2015 PAGE 14

15 Défi n 5 : Mesure 3D et couplage à une modélisation Nos objectifs - Améliorer la connaissance de la géométrie et/ou de la position et/ou de défauts d objets par une vision en 3D, - Coupler des mesures 3D avec des modèles qui permettrait de faire du prédictif Les voies de développement industrielles - Imagerie RX, Tomographie, Thermographie active. - Perspective très innovante de coupler les relevés dimensionnels 3D avec des modèles de comportement dans le but de prédire le comportement avant la phase d irradiation Partenaires identifiés : CAD/DEC/SESC PAGE 15

16 Défi n 5 : Mesures 3D et couplage avec une modélisa tion Mesures à l échelle d une cellule ou d un gros composant - précision de qq µm au mm - représentation 3D - possibilité d éditer des plans TQC Visualisation d une rupture Partie transférée en cellule chaude Configuration 4 crayons Dispositif RJH PAGE 16

17 Défi n 5 : Mesures 3D et couplage avec une modélisa tion Mesures à l échelle d un crayon expérimental voir de la pastille - visualisation dynamique (forage, déplacement capteur ) - reconstruction 3D des sous ensembles du crayon - couplage avec des modèles 3D de simulation prédictive Visualisation de fracture au niveau d une pastille Visualisation dynamique d opération de forage Visualisation de défaut sur une gaine de crayon Couplage des données 3D avec des modèles existants PAGE 17

18 Défi n 6 : Développement et implantation de capteurs nucléarisés innovants Nos objectifs Disposer de nouveaux capteurs qui pourraient être installés lors de l étape de fabrication d un crayon expérimental destiné à une expérience en réacteur ou utilisés pour des mesures en labo chaud 1) Développer le capteur - Mesures de propriétés ou de caractéristiques - Développement de nouveaux capteurs pour accéder à de nouvelles données et/ou optimiser des capteurs existants (géométrie, résolution, précision, robustesse ) 2) Implanter - Miniaturiser les capteurs - Etudier leur implantation dans le combustible (usinage, blocage ) 3) Transmettre l information - Connecteurs (fluides et signaux), autres CNS1 Les voies de développement industrielles - Capteurs pour milieu nucléaire - Capteurs au catalogue de l offre RJH Partenaire identifié : CEA/CAD/DER PAGE 18

19 Diapositive 18 CNS1 que veut-on dire ici par "gaines"? le gainage des fils? NONON-SOLARO Chrystelle ; 02/02/2015

20 Défi n 6 : Développement et implantation de capteurs nucléarisés innovants - Thermiques Températures gaine, combustible, interface Conductivité thermique (locale ou intégrale) Détection de la fusion à cœur de pastille - Thermomécaniques Dilatation sous flux Déformation axiale et radiale, allongement différentiel entre la gaine et la colonne combustible Perméabilité aux gaz Détection de l instant de perte d étanchéité Détection de l instant de contact entre les pastilles combustible et la gaine - Thermochimiques Potentiel d oxygène, d hydrogène dans le gaz des volumes libres Conductivité électrique du matériau combustible Composition, température et pression des gaz relâchés dans les volumes libres Exemples de domaines Un exemple qui peut être optimisé : Capteur utilisé lors de l expérience REMORA dans le réacteur OSIRIS Mesures en ligne de la pression et la composition des gaz de fission Pressure sensor Acoustic sensor PAGE 19

21 ET VOTRE INTERÊT DE COLLABORER AVEC NOUS? PROJET COLLARATIF CEA/ENTREPRISES Nous disposons : Des compétences d exploitant nucléaire de cellules de haute activité (sûreté, sécurité, radioprotection, maintenance, etc.) De moyens d essais (maquettes en froid et environnement des cellules chaudes) D un réseau interne de spécialistes du nucléaire (mesures, instrumentations, ) D un réseau de contacts en France et à l Etranger CEA 18 juin 2014 PAGE 20

22 Le LECA-STAR à l international Apporter notre expertise labo chaud à ITER Accompagner EdF dans le cadre d irradiations à l étranger (Halden,..) Accompagner AREVA dans le cadre du développement de ses combustibles et des suites de Fukushima Nos outils au cœur de programmes internationaux ISTP, NFIR,.. et en lien avec la communauté scientifique 30 AVRIL 2015 PAGE 21

23 ET VOTRE INTERÊT DE COLLABORER AVEC NOUS? Nous recherchons des industriels qui apporterons, outre des briques technologiques, leur volonté : PROJET COLLARATIF CEA/ENTREPRISES d innover dans un environnement économique contraint Dans les domaines de la robotique, instrumentation, mécanique, END, imagerie 3D Dans le domaine des équipements en milieu à forte contrainte nucléaire de se positionner seul ou en partenariat avec le CEA sur des marchés nucléaires en France et à l étranger Marchés à l export : Nucléaire UK, Suède, Norvège, etc Marchés EdF, AREVA Marchés avec ITER CEA 18 juin 2014 PAGE 22