L'impression 3D transforme la construction pour l'énergie nucléaire

Dans une démarche audacieuse visant à transformer la construction des infrastructures nucléaires, le Centre de démonstration de fabrication (MDF : Manufacturing Demonstration Facility) du Département de l'Énergie au Laboratoire national d'Oak Ridge aux Etats-Unis, en partenariat avec Kairos Power et Barnard Construction, a développé et validé avec succès des moules composites polymères imprimés en 3D à grande échelle pour le moulage de structures en béton complexes et de haute précision, dont la production serait techniquement complexe et coûteuse avec les méthodes conventionnelles. Ces moules sont utilisés sur le campus d'Oak Ridge de Kairos Power, où le réacteur de démonstration de faible puissance Hermes est actuellement en construction – une étape importante pour l'avenir de l'énergie nucléaire américaine.

Les formes imprimées en 3D pour la démonstration du blindage Janus sont les précurseurs de celles que Kairos Power et Barnard utiliseront pour construire certaines parties du réacteur Hermes. Chaque section mesure environ 3 mètres sur 3 mètres et est empilée sur trois unités de hauteur pour former une colonne. 

Une partie de la forme de la colonne a été exposée lors de l' atelier sur les opportunités nucléaires du Conseil économique de l'est du Tennessee , ou NOW, du 22 au 23 juillet au Knoxville Convention Center.
 

Les ouvriers de Barnard Construction coulent du béton dans le coffrage en ABS renforcé de fibres de carbone pour produire l'une des colonnes Janus coulées sur place. Crédit : Kairos Power

En permettant des conceptions structurelles innovantes, l'utilisation de moules ou de formes imprimés en 3D représente une avancée majeure dans la construction d'infrastructures, que Kairos Power entend exploiter à plus grande échelle pour ses futures centrales commerciales. Les moules composites réduisent considérablement les délais de production, permettant la construction « sur place » de composants structurels complexes aux géométries uniques en quelques jours au lieu de quelques semaines. Comparé aux méthodes traditionnelles utilisant des moules en acier ou en bois, souvent coûteux, imprécis et longs à construire, ce changement marque une avancée significative dans la méthodologie de construction nucléaire. 

« Chez ORNL, nous démontrons que l'avenir de la construction nucléaire ne doit pas forcément ressembler au passé », a déclaré Ryan Dehoff, directeur du Centre de démonstration de fabrication. « Nous combinons les capacités des laboratoires nationaux avec l'expérience de MDF, qui a su prendre des initiatives ambitieuses et ambitieuses – des projets ambitieux qui transforment des idées audacieuses en solutions concrètes – pour accélérer le développement d'une nouvelle énergie nucléaire commerciale. »

Au cours de la dernière décennie, MDF a mené des projets majeurs et inédits, allant de l'impression 3D de voitures et de maisons à la création d'outils numériques permettant de qualifier les pièces en temps réel. Ces avancées ont contribué à redéfinir les possibilités de la fabrication et sont désormais appliquées aux défis de la modernisation de l'énergie nucléaire.

De gauche à droite, Robert Wagner, Ahmed Arabi Hassen et Ryan Dehoff, de l'ORNL, ont visité le site d'Hermes pour assister au coulage du béton dans les coffrages. Crédit : ORNL, Département de l'Énergie des États-Unis.

« Nous collaborons avec MDF depuis la création de Kairos Power », a déclaré Edward Blandford, cofondateur et directeur technique de Kairos Power. « Ils évoluent rapidement, font preuve de créativité et ont démontré leur capacité à produire des résultats révolutionnaires là où la fabrication traditionnelle ne répondait pas aux attentes. »

Blandford a expliqué que, lors de l'étude des différentes options de systèmes en béton préfabriqué, Kairos Power avait reçu la recommandation d'un partenaire commercial de contacter MDF. « Il est rare que l'industrie nous conseille de contacter le laboratoire national, car ils réagissent rapidement. »

L'approche collaborative du MDF soutient l'objectif de Kairos Power d'utiliser des cycles d'apprentissage rapides pour accélérer le déploiement de la technologie.

« Ce projet s'inscrit parfaitement dans notre approche de développement itératif », a déclaré Blandford. « En construisant et en testant d'abord les moules des colonnes, nous pouvons affiner nos méthodes, collaborer rapidement avec les autorités de réglementation et réduire les risques avant de déployer à grande échelle la méthode de construction pour Hermes et les futures usines. Cela a été un élément clé de notre stratégie dès le départ. »

La colonne Janus de Kairos Power présente un élément de la nouvelle conception de l'entreprise pour le bio-bouclier Hermes : la structure en béton épaisse construite autour d'un réacteur nucléaire qui absorbe les radiations pendant le fonctionnement, protégeant ainsi les travailleurs.

Le projet a bénéficié du soutien de nombreux partenaires industriels, dont Airtech Advanced Materials Group, TruDesign, Additive Engineering Solutions et Haddy, qui ont collectivement mis en place une nouvelle chaîne d'approvisionnement pour les infrastructures nucléaires grâce à la fabrication additive. Barnard a joué un rôle clé en mettant en œuvre et en adaptant le coffrage imprimé en 3D, en fournissant un retour d'information en temps réel et en intégrant les modifications de conception à la volée pour améliorer la constructibilité et permettre un déploiement rapide. Dehoff a déclaré que le succès du projet résultait de la communication entre les partenaires. « C'est un véritable exemple d'innovation en laboratoire national », a-t-il déclaré.

Les équipes de Kairos Power et de Barnard Construction ont collaboré étroitement pour réaliser la démonstration du béton coulé sur place Janus en quelques jours. Crédit : Kairos Power

Les coffrages devaient résister à la pression considérable exercée par le béton lourd qu'ils étaient censés façonner. Ahmed (Arabi) Hassen, chef de groupe Innovation composites chez ORNL, a expliqué que le défi ne résidait pas seulement dans la précision géométrique : les moules devaient maintenir leur intégrité structurelle sous de fortes contraintes. Cela exigeait à la fois une résilience mécanique et des stratégies de conception et d'impression innovantes, repoussant les limites de la fabrication additive pour les applications structurelles.

Ce projet illustre comment la fabrication de pointe est utilisée pour moderniser l'un des secteurs de la construction les plus traditionnels des infrastructures américaines. « Nous utilisons le meilleur de la fabrication additive – modularité, flexibilité, itération rapide – et l'appliquons à l'énergie nucléaire », a-t-il déclaré. « Ce projet démontre que nous pouvons révolutionner les méthodes traditionnelles grâce à de nouvelles technologies qui abaissent les barrières, réduisent les risques et accélèrent les délais de construction. »

La collaboration avec Kairos Power a été rendue possible grâce à une initiative pluriannuelle plus vaste, le projet SM2ART Moonshot, pilotée par MDF et l'Université du Maine et financée par le Bureau des technologies de fabrication et des matériaux avancés du Département de l'Énergie. Ce projet s'appuie sur la combinaison unique d'ORNL : expertise de classe mondiale en science des matériaux, ressources en supercalcul et en intelligence artificielle, et capacités de fabrication additive grand format. L'Université du Maine apporte des atouts complémentaires en matière d'impression 3D à grande échelle, de développement d'infrastructures structurelles et de plateformes de fabrication numérique. Avec Kairos Power, les partenaires visent à réduire les risques et à moderniser la construction nucléaire grâce à des solutions rapides, flexibles et rentables.

En regardant la porte Janus d'en haut, on peut voir la forme imprimée en 3D à côté des piliers de béton disposés selon un symbole de rayonnement. Crédit : Kairos Power

Ce projet revêt une importance nationale. La région de Knoxville-Oak Ridge est le plus grand pôle mondial d'entreprises du secteur nucléaire, et Hermes est le premier réacteur avancé à obtenir un permis de construire de la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis. Il pose les bases des futures centrales commerciales de Kairos Power et d'une nouvelle génération de réacteurs qui joueront un rôle essentiel pour répondre à la forte demande énergétique des États-Unis dans les décennies à venir.

Au cours des 18 prochains mois, le projet SM2ART Moonshot continuera de soutenir les initiatives de construction de Kairos Power, en s'étendant à la production à grande échelle de coffrages pour les blindages radiologiques et les enceintes des bâtiments réacteurs, et en intégrant des techniques de fabrication intelligente, des jumeaux numériques et un contrôle qualité basé sur les données. Les partenaires visent à utiliser des matières premières biocomposites imprimables issues de résidus de bois, avec pour objectif une réduction de 75 % du coût des matériaux grâce à l'utilisation de produits forestiers locaux. 

En démontrant que la construction nucléaire peut adopter des pratiques de fabrication — de l’agilité de conception au déploiement rapide — le projet offre une vision convaincante pour réduire le coût et le calendrier des futurs réacteurs.

Le MDF, soutenu par le Bureau des matériaux avancés et des technologies de fabrication du ministère de l'Énergie, est un consortium national de collaborateurs travaillant avec l'ORNL pour innover, inspirer et catalyser la transformation du secteur manufacturier américain. En savoir plus sur la collaboration avec le MDF .

https://www.ornl.gov/news/3d-printing-reshapes-construction-nuclear-energy