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La simulation numérique en réponse aux enjeux et défis énergétiques actuels

La maitrise de l’énergie a permis l’avènement de toutes les grandes avancées technologiques : de l’industrialisation à la révolution des transports en passant par l’amélioration des conditions de vie… Notre capacité à la produire et à l’utiliser a été déterminante pour notre humanité. Aujourd’hui, l’heure est à la recherche d’efficience, d’énergie décarbonée, de sobriété et d’équilibre dans le mix énergétique. Nos fondateurs travaillaient dans le nucléaire de recherche avant de s’associer pour créer DAES. Ils ont pris part à des projets majeurs internationaux dans de grands instituts avec lesquels nous continuons de collaborer au travers d’études d’ingénierie ou de programmes tels que le CERN K
Au quotidien, les équipes DAES contribuent à la définition de solutions d’ingénierie avancées grâce à la simulation d’équipements et de composants : cibles, cyclotrons, pompes, supports, équipements de levage, joints… En étroite collaboration avec les équipes projets du client et du client final, nous prenons en charge la définition de modèles, les études, les itérations pour l’optimisation, l’analyse de scénarios et le développement d’outils ou méthodes spécifiques qui pourront être utilisés pour de futures évolutions. Nos équipes interviennent sur l’étude de l’ensemble des phénomènes physiques / multiphysiques : mécanique, fluidique, thermique, optique, électromagnétisme, dynamique, sismique…

Le nucléaire civil, l’utilisation de code de calcul comme le RCC-M et notre App M-fem

L’industrie nucléaire civile reste une source importante de production d’électricité dans l’Union Européenne (environ 22,1% de la production totale en 2022 d’après la représentation permanente de la France auprès de l’Union Européenne avec une puissance installée de près de 1024 GW, contre 38,5% d’ENR et 39,4% pour le thermique fossile).

En Suisse, la part de la production d’électricité issue du nucléaire s’élève à environ 19% en 2021 d’après l’Office fédéral de l’énergie avec une puissance installée de près de 3 GW, contre 68% pour les barrages hydrauliques, 11% pour le solaire et 2% pour le thermique fossile. En France, elle représente environ 67% de la production totale en 2020 d’après RTE avec une puissance installée de près de 61 GW, contre 13% pour les barrages hydrauliques, 8% pour l’éolien, 7,5% pour le thermique fossile, 2,5% pour le solaire et 2% pour la biomasse). Son faible impact en termes d’émissions de gaz à effet de serre (tel que le CO2) constitue actuellement l’un de ses principaux avantages par rapport aux énergies fossiles.

La question du nucléaire civil, en particulier la sécurité et la sûreté des centrales nucléaires et la gestion et le stockage des déchets nucléaires issus de la fission de l’uranium, est toujours au cœur des débats. Les industriels, via l’AFCEN entre autres, éditent des codes de construction et de calcul très stricts tels que :
  • le RCC-M – Règles de conception et de construction des matériels mécaniques des ilots nucléaires REP (Réacteur à Eau Pressurisée),
  • le RCC-MRx – Règles de conception et de construction des matériels mécaniques des installations nucléaires hautes températures, expérimentales et de fusion.
  • D’autres règles équivalentes, telles que l’ASME III, éditées et adoptées aux USA et dans bien d’autres pays
L‘utilisation de ces codes (dits « de dimensionnement ») facilite la chaîne qui va de la conception à la mise en service et à l’exploitation de systèmes mécaniques (mais aussi de Génie Civil ou de systèmes de contrôle et d’énergie) qui relie les concepteurs, les architectes, les fabricants et les exploitants de tels systèmes, ainsi que l’acceptation de dossiers de justification auprès des  autorités de sûreté qui autorisent de telles installations (autorité de sureté nucléaire ASN -pour la France- ou l’Inspection fédérale de la sécurité nucléaire IFSN – pour la Suisse). Pascal SABBAGH, co-fondateur de DAES, fait partie des experts invités au groupe de travail sur le RCC-MRx dont l’objectif est d’enrichir et améliorer les règles existantes. Les technologies de simulation dont DAES a l’expertise ont le double avantage de répondre aux préoccupations de sûreté et normatives de l’industrie nucléaire tout en permettant d’optimiser vos projets de conception. DAES vous accompagne dans la rationalisation de vos ressources, humaines et matérielles, au regard des normes en vigueur en s’appuyant notamment sur les applications ANSYS, M-fem et MRx-fem.
DAES participe, dans le nucléaire civil, à des projets liés aux activités
  • de construction et l’exploitation de centrales nucléaires
    • Analyse des systèmes de transport de fluides et de gaz
    • Analyse de fluage et d’éclatement des tuyaux
    • Simulation d’accident, pompes et valves, réservoirs de stockage
  • de gestion des déchets radioactifs et de l’enfouissement des déchets nucléaires ;
    • Conception des fûts de combustible usé
    • soudage et analyse des contraintes thermiques résiduelles, réservoirs de déchets nucléaires,…

La fusion et le projet ITER mais pas que…

DAES participe, d’autre part, avec des partenaires internationaux de renommée, au développement de projets de R&D ambitieux sur un large spectre de technologies nucléaires, comme la fusion.

DAES contribue au projet ITER depuis plus de 5 ans. Elle détient une expertise dans le développement de systèmes mécaniques propres à un Tokamak comme celui en cours de construction sur le site d’ITER. L’objectif d’ITER est de démontrer qu’il est possible de convertir l’énergie des étoiles (énergie de fusion thermonucléaire telle qu’elle a lieu au sein des étoiles, dont notre Soleil) au profit de l’humanité pour produire une source d’énergie renouvelable, durable et inépuisable, pour remplacer les énergies et combustibles fossiles et ainsi limiter le réchauffement climatique. ITER a pour but d’extraire l’énergie de cette fusion (isotopes d’hydrogène produisant de l’hélium) qui, une fois le process industrialisé, permettra de produire de la chaleur et de l’électricité.

DAES intervient en support pour la conception et le dimensionnement de tels systèmes.

Dans le bâtiment Tokamak

Les modules du « first wall blankets » qui constituent la « peau » interne du tokamak. Ils doivent supporter des efforts importants et de différents types (efforts thermiques dus au rayonnement du plasma et au rayonnement neutronique, électromagnétique et sismique) : À DAES, nous sommes tout particulièrement impliqués dans les analyses CFD, thermiques, structurelles et électromagnétiques (selon les règles du RCC-MR, du RCC-MRx, de l’ASME III et de l’ASME VIII)
Le remplacement des « Test Blanket Modules » (ou « TBM ») est une partie cruciale du programme scientifique et sa complexité nécessite l’utilisation de technologies avancées dans le processus de conception. Des techniques de réalité étendue sont utilisées pour la conception des composants et leurs outils / moyens de remplacement dans le bâtiment Tokamak. La réalité virtuelle est utilisée dans la conception des TBM dans le projet ITER en collaboration avec le CEA. Cette collaboration porte sur la faisabilité du remplacement des TBM dans les cellules chaudes. Certaines de ces interventions nécessitent une intervention humaine en zone contrôlée. La réalité virtuelle est aujourd’hui un outil puissant qui permet d’optimiser l’ergonomie de l’environnement de travail et ainsi de réduire les temps d’exposition de l’opérateur en zone contaminée. Un opérateur immergé en temps réel dans la maquette virtuelle à l’échelle et interagissant directement avec les objets de l’environnement de travail, peut rapidement identifier des problèmes d’accessibilité pouvant compromettre la réalisation de certaines tâches. Ces problèmes une fois repérés, la conception pourra être adaptée et améliorée.
Le « Tokamak Cooling Water System » permet d’évacuer la charge thermique due au plasma des systèmes installés sur le tokamak ; DAES est impliquée dans les analyses des HELB (« high energy line break » de la tuyauterie (selon les règles de l’ANSI/ANS-58.2, de l’ASME BPVC, de l’ANSI/AISC, de l’Eurocode 2 et de l’Eurocode 3)
DAES est impliquée dans le développement d’un nouveau logiciel (écrit en FORTRAN 90) basé sur un modèle de comportement de l’hélium supercritique (« Supercritical helium CFD »): il permet la simulation du comportement thermo-hydraulique des aimants supraconducteurs refroidis par de l’hélium liquide à 4K en particulier en cas de « quench »
Le système « Ion Cyclotron Heating » système permet de chauffer (et donc accélérer) les ions contenus dans le plasma grâce à des ondes électromagnétiques à 10 MHz : DAES est tout particulièrement impliqué dans les analyses CFD, thermiques, structurelles, sismiques et électromagnétiques (selon les règles du RCC-MR, du RCC-MRx, de l’ASME III et de l’ASME VIII)
Le système «Electron Cyclotron Heating» permet de chauffer (et donc accélérer) les électrons contenus dans le plasma grâce à des ondes électromagnétiques à 170 GHz : DAES est tout particulièrement impliquée dans l’ingénierie système (définition des interfaces et des cas de chargement, propagation des exigences), l’intégration et la maintenance dans le bâtiment tokamak (nucléaire), ainsi que dans la conception des guides d’ondes qui transportent cette puissance (de l’ordre de 1 MW par guide) entre les klystrons qui la produisent et les antennes d’injection dans le plasma.
DAES contribue également aux activités d’ingénierie projet de la section « Building and Civil Work » en particulier pour les portes massives qui assurent confinement et protection contre les radiations nucléaires dans le bâtiment tokamak.
DAES est impliquée dans la conception de l’ensemble des cellules chaudes d’ITER… un projet énorme dans un projet gigantesque ! Nos ingénieurs interviennent dans la conception des moyens de télé-opération et d’usinage (poste de travail robotisé) pour le traitement des déchets radioactifs de moyenne activité : réduction de volume par fraisage et découpage, détriation, compactage, conditionnement en conteneurs nucléaires, caractérisation radiologique et fixation & décontamination des conteneurs.

DAES soutient aussi les efforts privés vers la fusion commerciale et s'engage activement auprès des acteurs privés qui développent ces technologies pour leur faire bénéficier de son expérience acquise sur ITER.

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Les technologies des accélérateurs - Cibles de production d’isotopes - Cibles de production de neutrons - Cibles de spallation

Les technologies des accélérateurs nécessitent beaucoup d’études et font appel souvent à des simulations numériques pour prédire le comportement des objets pouvant et devant interagir avec les faisceaux de particules. Voilà quelques exemples des études faites par DAES :

Les fondateurs de DAES ont été impliqués sur plusieurs projets au CERN, en commençant par le fameux LHC, avec des contributions sur des objets interagissant avec le faisceau de protons et en allant jusqu’au projet Laguna LBNO (Long Baseline Neutrino Oscillations), observatoire souterrain de neutrinos pour étudier les oscillations des neutrinos sur de longues distances, investiguer la Grande Unification des forces élémentaires et détecter les neutrinos provenant de sources astrophysiques.

Sur les divers projets, les fondateurs de DAES ont amené leur expertise sur :

  • La (simulation thermo mécanique,
  • La simulation thermique
  • La simulation et l’analyse dynamique
  • La conception de beam dumps
  • La conception de cibles de haute puissance (EURISOL, ESS…)
  • La conception de cibles de production de radioisotope.
Dans la continuité des projets du CERN, les fondateurs de DAES ont été impliqués sur le projet ESS (European Spallation Source). C’est d’ailleurs le point de rencontre de ses fondateurs. Les capacités uniques de l’ESS dépasseront et compléteront largement celles des principales sources de neutrons d’aujourd’hui, offrant de nouvelles opportunités aux chercheurs dans tous les domaines de la découverte scientifique, y compris les matériaux et les sciences de la vie, l’énergie, les technologies environnementales, le patrimoine culturel et la physique fondamentale. Le processus de spallation aura lieu lorsque le faisceau de protons accéléré jusqu’à 2GeV heurtera les briques de tungstène de la roue « cible » de 4,9 tonnes, produisant une luminosité neutronique sans précédent pour des expériences scientifiques dans plusieurs disciplines. Les fondateurs de DAES étaient en charge de :
    • La conception de la roue « cible » rotative
    • La définition de l’architecture globale du bâtiment contenant la cible
    • La conception de la fenêtre du faisceau de protons
    • La définition du système de contrôle de la sécurité
DAES est le leader du projet VULCAN (Versatile Ultra-Compact Accelerator-based Neutron source) EUREKA-EUROSTARS E! 115722 avec ses partenaires DTI et Xnovo : VULCAN est une source pulsée de neutrons, compacte, « clef-en-main », abordable et utilisable par  les organismes de recherche et de technologie et les  industries, les universités, notamment pour la formation des scientifiques aux techniques neutroniques. Les applications de VULCAN sont la mesure des propriétés internes des structures métalliques et céramiques, après tout procédé de fabrication, y compris la fabrication additive et la mesure de l’évolution des anodes métalliques (dépôt/striping, croissance dendritique) dans les batteries Li-ion (ou Li-polymère) et les piles à combustible.
DAES est en charge de :
  • La gestion du projet et de l’ingénierie système
  • La définition de l’architecture de la machine jusqu’au guide des neutrons
  • La conception de cible-modérateur-réflecteur
Les tests de validation de l’ensemble Cible-modérateur-récepteur seront effectués sur le complexe d’accélérateur du CERN en 2023.