Dans le cadre du Projet Transverse de Compétences en Simulation Numérique MIRO, démarré en 2023, un outil de simulation de diagnostics d’imagerie InfraRouge (IR), développé par le CEA-IRFM pour la surveillance des parois de WEST et bientôt d’ITER, a été intégré dans la plateforme multi-physique CIVA, du CEA-LIST, plateforme leader mondial dans l’analyse des méthodes de Contrôle Non Destructif (CND). Cette collaboration a permis non seulement de renforcer les capacités de simulation et d’analyse IR de CIVA, mais aussi d’améliorer la génération d’images IR avec des temps de calcul optimisés pour des applications en temps réel. Elle garantit également la diffusion de ces travaux de recherche grâce à leur intégration dans un code professionnel largement utilisé.
Le logiciel CIVA est un outil de simulation et d’analyse dédié aux activités de contrôle non destructif (CND). Développé par le CEA-List et distribué par la société Extende, CIVA est utilisé par de nombreux industriels pour simuler diverses techniques d’inspection (ultrasons, courants de Foucault, thermographie, radiographie, tomographie) et pour analyser les données issues de mesures expérimentales ou simulées [1].
La thermographie IR est une méthode de CND offrant de nombreux avantages : elle permet de contrôler la température de surface des composants critiques de manière non invasive, sur de vastes champs d’observation et avec une grande fréquence d’acquisition. Cependant, l’interprétation des images thermiques est complexe en raison de nombreuses perturbations
« parasites » (incertitudes sur l’émissivité de la cible, présence de flux réfléchi, influence de l’instrument), qui peuvent entraîner des erreurs significatives dans les mesures de température. Cette complexité limite encore aujourd’hui l’utilisation systématique de cette technologie sans l’avis d’experts. La simulation devient un élément clé pour comprendre les processus physiques intervenant le long de la chaîne de mesure et pour quantifier précisément les phénomènes perturbateurs.
Initialement conçu pour la surveillance des parois des machines de fusion par confinement magnétique, un nouveau noyau de calcul radiatif infrarouge, développé par le CEA-IRFM, vient enrichir le module de thermographie infrarouge de CIVA. Ce noyau améliore les capacités de CIVA en intégrant des simulations d’images infrarouges, particulièrement utiles pour améliorer l’interprétation des mesures dans des environnements difficiles comme ceux des machines de fusion. L’outil de simulation a été initialement développé et testé pour répondre à la problématique du contrôle de la température des parois, qui regroupent un certain nombre de défis majeurs pour la mesure IR : un environnement entièrement métallique (donc réflectif) et chaud avec des températures allant de 100 à 3000 °C, des changements d’état de surface des matériaux soumis à des forts flux de chaleur et de particules entrainant des phénomènes d’érosion-déposition [2]. L’outil de simulation s’est avéré particulièrement utile pour discriminer les faux points chauds, causés par des réflexions parasites, des vrais points chauds qui représentent un véritable risque pour l’intégrité de la machine.
L’outil de simulation d’images infrarouges intégré dans CIVA repose sur un algorithme de lancer de rayons par Monte Carlo, capable de simuler des scènes thermiques 3D complexes. Ces scènes sont caractérisées par des distributions fines de champs de température et par diverses propriétés de surface en termes d’émission et de réflectivité. Aujourd’hui, entièrement optimisé et compatible avec plusieurs plateformes (CPU/GPU), ce nouveau module réalisé dans le cadre du projet transverse MIRO permet de simuler des images infrarouges de 512×640 pixels en utilisant plus d’un milliard de rayons, le tout en moins de 5 secondes sur des cartes graphiques accélérées (GPU NVIDIA A40 RTX) contre 32 mn sur un processeur Intel à 48 cœurs. Cela représente une accélération d’un facteur de plus 450 entre GPU RTX et CPU. L’image 1 représente dans CIVA une vue 3D de l’enceinte du tokamak WEST et des images simulées d’une des caméras infrarouges surveillant la température des parois.
Pour aller plus loin, ce modèle (direct) de simulation infrarouge réaliste sert également de point de départ pour le développement d’algorithmes d’inversion des mesures. Appris par la simulation, ces algorithmes visent à déterminer les températures de surface des objets à partir des mesures IR tout en corrigeant les phénomènes perturbateurs [3,4].
Figure 1 : Visualisation dans CIVA d’un modèle 3D de l’enceinte du tokamak WEST et des images simulées d’une des caméras infrarouges surveillant la température des parois.
Motivée par les défis posés par la protection des composants internes du tokamak WEST et des machines de fusion par confinement magnétique, l’intégration de ces travaux de recherche dans l’outil professionnel CIVA valorise ces travaux en permettant leur diffusion pour divers types d’applications.
[1] Calmon P., et al., CIVA: An expertise platform for simulation and processing NDT data, Ultrasonics 44 (2006), Pages 975-979.
[2] Aumeunier M-H. et al., Surface temperature measurement from infrared synthetic diagnostic in preparation for ITER operations, Nuclear Fusion, Volume 64, Number 8 (2024)
[3] Juven A. et al., Temperature Estimation in Fusion Devices using Machine Learning techniques on Infrared Specular Synthetic Data, 2022 IEEE 14th Image, Video, and Multidimensional Signal Processing Workshop
[4] Miorelli R, et al., Defect sizing in guided wave imaging structural health monitoring using convolutional neural networks, NDT & E International 122 (2021) 102480