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Le réacteur numérique : vers un nucléaire augmenté

Publié le 29 janvier 2021 - Mis à jour le 8 février 2022
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Depuis le 1er janvier 2020, neuf acteurs se sont engagés à mutualiser leur expertise de recherche et développement (R&D) pendant quatre ans afin de lever les verrous technologiques pour le développement du jumeau numérique de chaque réacteur nucléaire. Ce projet a des répercussions sur de nombreux métiers qui accompagnent la vie d’un réacteur, depuis sa conception jusqu’au démantèlement, de la formation à la pratique sur le terrain.

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Dans le cadre de l’usine nucléaire du futur, l’objectif est de développer, dès 2025, le clone numérique de chaque réacteur nucléaire fran­çais. Il sera mis à disposition à travers deux plateformes, l’une pour l’entraînement des opérateurs et l’autre pour la simulation avan­cée de la physique du réacteur.

Benoit Levesque (EDF, R&D), chef de file du projet réacteur numérique, revient sur la genèse du projet : « en 2017, dans une note d’orientations stratégiques intitulée “outils de simulation et de réalité virtuelle”, l’exploitant (EDF) et l’ingénierie nucléaire ont exprimé le besoin d’un tel projet qui s’est en­suite élargi à l’Institut de recherche tripar­tite (EDF, CEA [1] et Framatome) ». Des études sont alors menées et le projet obtient en décembre 2018 la labellisation scientifique du pôle de compétitivité Nuclear Valley. Un premier dossier au Programme d’investis­sements d’avenir [2] (PIA) en tant que projet de recherche et développement structurant pour la compétitivité (PSPC) est déposé en janvier 2019. Après la validation du finance­ment dans le cadre du PIA le 20 décembre 2019, le projet démarre effectivement en janvier 2020.

Neuf partenaires (EDF, le CEA, Framatome, ESI Group, Corys, Aneo, Axone, Boost- Conseil et le CNRS avec le laboratoire en automatique CRAN de Nancy) réunissant dif­férents domaines d’expertise, se sont joints à EDF, chef de file du projet. Le projet est soutenu par le Groupement des industriels français de l’énergie nucléaire (GIFEN) et Nuclear Valley. Ce ne sont pas moins de 186 employés qui travailleront à temps plein sur cet enjeu stratégique, pendant quatre ans.

La transformation numérique en marche

La transformation numérique est une dy­namique de long terme. La filière a d’ores et déjà de nombreux outils : « cela fait 20 ans que nous disposons sur chaque site de simu­lateurs de pleine échelle, qui copient la salle de commande. Mais il s’agit de dispositifs de grande taille et peu maniables, qui ne sont pas toujours des “copies conformes” du réacteur. Par exemple, nous ne savons pas prendre en compte les caractéristiques précises du combustible des cuves qui est renouvelé chaque année », détaille Stéphane Feutry, délégué d’État-Major tranche en marche à la direction du parc nucléaire d’EDF. L’enjeu est donc désormais d’aboutir à de véritables clones représentatifs de chaque tranche et non plus de chaque type de réacteur (palier). Pour rappel, le parc nucléaire français a été construit par « paliers » standardisés qui se distinguent par des différences de puissance mais aussi de conduite. Les réacteurs du palier N4, construits à la fin des années 1980, font par exemple davantage appel à l’informatique que leurs prédécesseurs.

 


Nous réalisons déjà quelques couplages entre briques de simulation, mais nous avons aujourd’hui l’occasion d’aller plus loin dans l’interopérabilité de tous nos codes de calcul


Cécile Clarenc-Macé, coordinatrice technique du projet Réacteur numérique (EDF R&D) met en exergue deux innovations majeures : le couplage entre la gestion de projet et l’outil réacteur numérique ; et le lien permanent entre les outils de simulation et la réalité de l’installation. Le réacteur numérique, c’est une copie numérique du réacteur à la fois complète et évolutive réunissant, pour le meilleur, de nombreux savoir-faire numériques de la filière nucléaire : couplage de modèles de simulation multi-physiques à différentes échelles, capteurs temps réel, modélisations 3D, etc. « Le projet va nous aider à faire converger des millions de lignes de codes ! Nous réalisons déjà quelques couplages entre briques de simulation, mais nous avons aujourd’hui l’occasion d’aller plus loin dans l’interopérabilité de tous nos codes de calcul, qu’ils aient été développés par le CEA, EDF, Framatome ou codéveloppés », explique Xavier Raepsaet, chef de programme simulation à la direction des énergies (DES) du CEA. Le jumeau numérique va tirer parti des progrès technologiques des simulations de visualisation scientifique et du calcul de haute performance. Ainsi il sera possible d’analyser les moindres recoins d’un réacteur en fonctionnement avec un simple ordinateur.

Cette simulation sera accessible via une plateforme de services web sécurisée, grâce à laquelle les clients de la filière nucléaire française vont optimiser le temps dédié à la réalisation des simulations et au partage de leurs résultats. En effet les outils dont on dispose aujourd’hui peuvent être difficiles à installer et à faire évoluer et les mises en données demandent un travail conséquent. Néanmoins, l’orchestration de tous les codes de calcul représente le défi majeur du projet, car ils modélisent différents aspects du réacteur (neutronique, thermo-hydraulique, chimie, etc.), et certains codes sont focalisés sur le réacteur dans son entièreté (système) et d’autres sur un composant précis.

 


Les avantages recherchés

↦ Un facteur d’attractivité

Le réacteur numérique va apporter de nombreux avantages en matière d’attractivité, de compétitivité et de sûreté. Alors qu’aujourd’hui seuls les opérateurs peuvent se former en situation réelle, l’outil permettra à une plus large variété de métiers de s’en- traîner : agent de terrain, ingénieur sûreté, chef d’exploitation, etc. Grâce aux modélisations 3D et à la réalité virtuelle les agents vont pouvoir, équipés d’un casque, s’exercer en situation réelle avec différents scénarios allant des opérations quotidiennes aux rem- placements matériels et pannes. Tout cela sera possible avec un simple ordinateur portable, ce qui représente un gain logistique et organisationnel conséquent. La modernisation de la filière, de ses méthodes de travail et de formation est un facteur d’attractivité pour la jeune génération d’ingénieurs et de techniciens qui « a une nouvelle approche du numérique », analyse Stéphane Feutry, plus « native » et familière.

↦ La sûreté au service de la performance

« Je suis convaincu que l’on peut faire plus simple et plus sûr avec le numérique », résumait l’ancien directeur de l’Autorité de sûreté nucléaire (2012-2018), Pierre-Franck Chevet [3]. En s’appuyant sur les modèles les plus détaillés, le jumeau numérique du réacteur facilitera la spécification et la validation des exigences de sûreté ainsi que les requalifications fonctionnelles à la suite de modifications. En d’autres termes, des arrêts pour maintenance plus courts pour une plus grande disponibilité sur le réseau électrique.

↦ La compétitivité à l’export

La compétition à l’export ne se joue pas seulement sur les caractéristiques du réacteur mais aussi sur l’offre de services qui l’accompagne. Aujourd’hui les grands pays du nucléaire, notamment la Russie et les États-Unis, continuent de progresser dans le domaine. Ainsi, ce service numérique viendra renforcer la compétitivité de l’offre nucléaire française. « En développant des plateformes numériques, le projet va nous permettre d’offrir des services beaucoup plus souples à nos clients, français comme internationaux, explique Stéphane Bugat, directeur de la recherche et du développement de Framatome, c’est le développement du nucléaire au niveau mondial qui est en jeu ici, en améliorant sa crédibilité et son attractivité ».

 


Commissariat àl’énergie atomique et aux énergies alternatives

 

Le PIA est piloté par le Secrétariat général pour l’investissement (SGPI)et a été mis en place par l’État pour financer des investissements innovants et prometteurs sur le territoire.

 

Digitalisation : le nucléaire accélère sa transformation numérique, RGN n°3, 2017.

 


Par la rédaction, Sfen – Photo © EDF / Agence REA, Denis Allard – Logiciel 3D permettant une visite virtuelle des locaux de zone contrôlée

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