La pièce principale d'un diagnostic de bolométrie ainsi que la partie centrale du collecteur d'eau permettant de refroidir les composants du divertor de WEST sont les deux premiers éléments réalisés grâce à la technique de fabrication additive métal. La prochaine campagne expérimentale soumettra ces composants dans les conditions d'opération du tokamak et devrait être le point de départ pour l'intégration de nouveaux éléments de conception innovantes grâce à cette méthode.
Figure 1 : Principe de la fabrication additive
La fabrication additive métal dont les principes sont décrits sur la figigure1, consiste à réaliser une pièce, couche par couche, soit par dépôt de matière, soit par fusion laser de poudre avec des précisions minimales de l’ordre de 0,1mm.
Si le principe est simple, la mise en œuvre demeure plus complexe. Mais ce procédé de fabrication novateur ouvre des perspectives considérables, faisant sauter certains verrous technologiques, en particulier pour les pièces activement refroidies des tokamaks.
Il est désormais possible de réaliser des pièces monobloc de géométrie (très) complexe incluant des canaux de refroidissement, eux aussi complexes, se situant au plus près des parois externes de la machine.
Dans le cadre de WEST, des études mécaniques récentes menées à l’IRFM intègrent cette technologie.
Figure 2. Pièces WEST réalisées par fabrication additive
La première étude concerne un diagnostic de bolométrie dont le composant principal a été réalisé par fabrication additive. La complexité géométrique de cette pièce et les performances hydrauliques recherchées ont orienté ce choix. Cette pièce, activement refroidie, comporte deux réseaux de refroidissement distincts.
Le premier réseau, destiné à la protection thermique du diagnostic, est alimenté par une première boucle de refroisissement (boucle B30 : 30bars - 200°C). Le second réseau est alimenté par une seconde boucle (STEFI : 10 bars - 20°C) et est dédié à la protection des capteurs de mesure. Ces réseaux ont été optimisés pour occuper tous l’espace disponible à l’intérieur de la pièce (Figure 2.1).
Au-delà des aspects hydrauliques, le choix de la fabrication additive a favorisé l’intégration de fonctions essentielles, réduisant ainsi le nombre de pièces et de soudures, qui auraient été nécessaires, si cet ensemble avait été réalisé par des moyens d’usinage conventionnels.
La deuxième étude concerne le collecteur d’alimentation des secteurs du divertor de WEST (Figure 2.2). La problématique était d’optimiser la distribution hydraulique en réduisant au maximum les pertes de charge. Une solution moulée répondait au besoin, mais avec des coûts et délais de réalisation nettement supérieurs à ceux de la fabrication additive. Seule la noix centrale du collecteur a été réalisée par fabrication additive.
Les parties tubulaires quant à elles, ont été réalisées en chaudronnerie. Deux collecteurs de ce type sont d’ores et déjà installés et sont opérationnels pour la campagne expérimentale à venir.
Figure 3 -Gammagraphie et thermographie infrarouge réalisées sur un composant
Néanmoins, cette technologie nécessite la mise en place de protocoles de contrôles non destructifs en complément des tests d’étanchéité et hydrauliques habituels.
Les tomographies ou gammagraphies (figure 3) sont les moyens appropriés et fiables pour contrôler l’intégrité des composants tout au long du processus de fabrication (présence de porosités, résidus de poudre pouvant obstruer les canaux de refroidissement, …).
Des thermographies infrarouges (figure 3) peuvent en complément, corroborer ces résultats.
Souhaitons que la prochaine campagne expérimentale qui mettra ces composants en conditions réelles soit le point de départ pour l’intégration de nouveaux concepts innovants.
A ce titre, l’IRFM est associé au DRT/LITEN et à DRF/IRFU dans le cadre du projet ICARE financé par un Programme Transverse de Compétence (PTC) du CEA. L’objectif de ce projet est de travailler sur la production, la caractérisation et l’optimisation de preuves de concept complexes en cuivre et CuCrZr intégrant des canaux de refroidissement et répondant aux besoins de l’IRFU et de l’IRFM. Les composants choisis sont des plaques d’arrêt de faisceau pour grands instruments et des miroirs en CuCrZr pour WEST et ITER.
Maj : 24/11/2020 (802)
