La simulation virtuelle des Tokamaks et dans le secteur du nucléaire

par Jacques Delacour, PDG et fondateur d’OPTIS

26 avril 2018 | Partenariat

Article nucléaire

La fusion nucléaire est une source d’énergie essentielle pour les générations futures. Une coalition de 35 nations collabore sur l’ITER, le projet dédié à l’énergie le plus ambitieux au monde, et travaille à la création d’un tokamak de deux fois la taille linéaire et de dix fois le volume du Joint European Torus (JET), la plus grande expérience de physique de confinement magnétique opérationnel de plasma du monde, situé au Culham Centre for Fusion Energy dans l’Oxfordshire, au Royaume-Uni. L’ITER est actuellement en construction à Saint-Paul-lez-Durance, dans le sud de la France et a été conçu pour fournir 10 fois plus d’énergie qu’il n’en consume. Le projet ITER mènera à un prototype prêt-à-l’emploi pour l’industrie supposé devenir le premier dispositif de fusion nucléaire à fournir de l’électricité au réseau.

 

Lors d’expériences de fusion nucléaire, les composants faisant face au plasma sont soumis à de très forts flux de températures, et les diagnostics à image infrarouge sont régulièrement utilisés dans des études sur les températures de surface afin de prévenir les dégâts éventuels. Pourtant, l’utilisation de composants dans le tokamak ITER compliquera l’estimation des températures puisque les murs métalliques créent un environnement fortement propice à la réflexion.

 

Comme René Magritte le dit dans son célèbre tableau, La Trahison des Images, une image n’est que la représentation la réalité. Pour des ingénieurs travaillant avec des machines de fusion nucléaire, on relève un concept similaire lors de leurs mesures de températures sur des réacteurs de fusion expérimentale. Les murs tungsten des machines de fusion nucléaire sont hautement réfléchissants, rendant l’interprétation des mesures par thermographie IR difficiles. Les couleurs vives d’une image IR ne sont pas nécessairement associés à un point chaud réel, mais peuvent être le résultat de réflexions. Lors des mesures ces points chauds sont un outil de sécurité essentiel pour la machine, l’intégration et l’opération correcte de la machine dépend de l’interprétation des mesures IR.

 

La simulation agit comme un outil complémentaire à la modélisation des photons dans l’environnement et est ainsi capable de différencier les réflexions des réels point chauds. OPTIS, entreprise ayant déjà travaillé aux côtés du CEA, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives depuis 2010, utilise son logiciel de simulation afin de créer une simulation précise de ces images infrarouge. Cette collaboration vise à mesurer la température sur les murs des réacteurs de fusion expérimentale, à l’image de l’ITER, qui utilise la technologie de la simulation.

 

Un logiciel de simulation spectrale, pour les UV, les IR, et la simulation visible, est capable de simuler et de mesurer la température sur les murs des machines de fusion en déterminant la différence entre la température idéale sur les murs et la température résultant d’une réflexion de radiations infrarouges sur les matériaux des murs. En utilisant la géométrie vectorielle, complexe, et les propriété thermiques et optiques d’une surface, la simulation reproduit les interactions complexes des photons avec les matériaux afin de prédire la réponse globale du système de surveillance infrarouge au complet.

 

Le CEA a choisi d’utiliser le Virtual BSD Bench VBB d’OPTIS afin de définir précisément les matériaux à utiliser pour des projets de tokamak comme l’ITER. Le laboratoire virtuel de mesure des matériaux permet de simuler l’utilisation des matériaux dans des conditions réalistes. Il fournit au CEA des images précises et informatives, modélisant le phénomène physique induit lors de l’interaction des photos avec le sujet étudié. Le CEA peut mener un contrôle qualité virtuel sur les matériaux et anticiper l’influence de leur dégradation sur les réacteurs, et plus précisément la dégradation de leur état à la surface et les conséquences sur l’interprétation des mesures infrarouges. Cet outil contribue à assurer un meilleur contrôle des performances des mesures par infrarouges, ce qui est essentiel pour optimiser l’opération des futurs réacteurs tout en s’assurant que l’opération sera sûre.

 

De plus, les équipes de l’Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (IRFM) présentes au centre du CEA à Cadarache peuvent désormais, pour la première fois, modeler plus précisément la radiation du plasma et étudier le phénomène de polarisation et ses possibles impacts sur les résultats de la simulation. SPEOS, le produit d’OPTIS, leur permet de revoir et d’analyser les résultats en tant que fonction de la polarisation des propriétés de ce plasma. Cette avance est un excellent premier pas, rendu possible par l’utilisation de la simulation numérique physiquement réaliste, et le CEA comparera les simulations générées par OPTIS avec les résultats des expériences obtenues dans son tokamak WEST.

 

Ces simulations exigent beaucoup en termes de temps de calculs, c’est pourquoi le CEA utilise l’HPC d’OPTIS afin de garantir une plus grande efficacité de calcul. Le CEA a ainsi réduit le temps de simulation de un jour à moins d’une heure, augmentant de manière conséquente le nombre de simulations menées sur une base annuelle. Un des autres avantages notables du logiciel SPEOS est sa capacité à mener toutes ces études dans un environnement unique, le logiciel de CAO Catia V5 de Dassault Systèmes, et la maquette digitale du réacteur thermonucléaire dans sa totalité.

 

Au regard des simulations IR à venir pour des projets similaires, les mesures de températures à d’autres endroits du tokamak, comme la cible plus froide par exemple, nécessite de compenser les réflexions afin d’obtenir des mesures réalistes de ces températures. Plusieurs méthodes sont envisagées afin de compenser ce flux de réflexions. La méthode photo-thermale active, utilisant des sources pulsées ou modulées, semble être une solution pour la mesure de la température à un endroit précis de la surface et ce, indépendamment des flux de réflexion. Une autre approche pourrait être l’exploitation de la polarisation possible de ce flux dans le but de minimiser sa contribution sur le plan du capteur. Enfin, le modèle photonique lui-même pourrait aider à maintenir la température de la surface en inversant les signaux captés par la caméra, prenant en compte la contribution des flux de réflexion.ne reçois pas se

 

Cette expérience où l’homme agit directement sur un prototype digital présente deux objectifs essentiels, et complémentaires, pour l’industrie nucléaire.

 

Le premier, est un premier pas vers l’amélioration de la conception générale de l’infrastructure nucléaire avant sa construction. A partir de la phase de conception initiale, il permet de comprendre l’espace, les proportions et l’accessibilité des éléments sur le plan nucléaire. Les utilisateurs peuvent ainsi évaluer le confort et l’accessibilité générale de l’installation, les efforts nécessaires à l’accomplissement de certaines tâches et les champs de vision des opérateurs, dans le but de valider l’ergonomie globale et d’optimiser la construction des installations afin de faciliter les opérations des équipes une fois sur place.

 

Le second objectif est de former les opérateurs. Ils peuvent utiliser les systèmes comme ils le feraient dans la réalité, même s’ils ne sont pas encore disponibles ou cruciaux pour faciliter la manipulation. Les opérateurs peuvent simuler des interventions, même dans des environnements hostiles, afin d’être fins prêts pour de réelles interventions tout en améliorant leur sécurité, le tout aussi bien pendant la formation que pendant les opérations. Le système peut aussi simuler les radiations auxquelles les opérateurs sont exposés durant l’entretien ou le démontage, afin de déterminer les actions les plus stratégiques à accomplir en cas d’urgence.

 

Il apparaît que ce logiciel de simulation physique, aussi précis que prédictif, permet de justifier la conception des réacteurs, de par sa capacité à modeler des fonctionnalités complexes et innovantes. Les objectifs à utiliser la simulation sont de garantir la sécurité des analyses, des opérations et de la conception. La simulation aborde les aspects d’ingénierie tant sur le plan de la sécurité que sur celui du développement nucléaire. En tant que tel, la simulation est une solution primordiale pour le futur développement de l’industrie nucléaire.