Grâce aux progrès réalisés en matière d’impression 3D, les Laboratoires Nucléaires Canadiens (LNC) adoptent une approche novatrice de la surveillance et de l’examen du combustible : l’intégration de capteurs à fibre optique directement dans le combustible. Au cours de la dernière année, Daniel Huston, un étudiant au doctorat travaillant avec d’autres personnes à la Direction des combustibles avancés et de la physique des réacteurs des LNC, a effectué un certain nombre d’essais pour étudier cette nouvelle technique.
« À ma connaissance, il s’agit d’une expérience unique en son genre, explique Daniel. L’équipe de l’élaboration du combustible des LNC travaille sur les combustibles imprimés depuis quelques années, et ces travaux constituent la “prochaine étape” naturelle, alors que nous devenons plus confiants dans la construction de géométries complexes ».
Les réseaux de Bragg inscrits sur les fibres optiques ont été choisis comme capteurs à mettre à l’essai, car ils permettent la mesure simultanée de la déformation et de la température des pastilles de combustible, et ils peuvent fonctionner sous des champs de rayonnement élevés. Ces résultats serviront de référence pour comparer les résultats d’essais semblables qui seront effectués plus tard dans un champ d’irradiation (p. ex., utilisation de sources d’irradiation et de générateurs de neutrons aux LNC ou du réacteur nucléaire SLOWPOKE‑2 du Collège militaire royal du Canada [CMR]). Bien que ces essais aient été réalisés sur une pastille d’alumine de substitution, l’objectif à terme est de mettre au point un processus pour l’impression 3D d’une vraie pastille de ThO2 ou d’UO2 dotée de capteurs de température et de déformation intégrés.
La capacité d’intégrer la fibre optique directement dans la pastille permettra à l’exploitant de surveiller le comportement « en temps réel » du combustible irradié pendant l’exploitation, en plus d’aider à réduire le temps nécessaire à la qualification réglementaire du nouveau combustible, car elle simplifie ou réduit certains des essais plus conventionnels habituellement effectués au moyen d’un examen post-irradiation.
« À mesure que les concepts de petits réacteurs modulaires (PRM) et de réacteurs avancés progressent vers leur déploiement, le combustible de bon nombre d’entre eux devra être qualifié. Une technique comme celle-ci peut fournir beaucoup de données, qui pouvaient auparavant être obtenues seulement par un examen post-irradiation, dans un délai beaucoup plus rapide ».
Cette première série d’essais exploratoires visant à comprendre comment intégrer les capteurs, à évaluer les divers modes de fonctionnement et à voir s’il s’agit d’une technique viable. Pour ce faire, l’équipe a créé une pile de quatre pastilles et intégré un thermocouple entre chacune d’elles. Les thermocouples fournissent des données permettant de comparer les lectures des fibres optiques intégrées. Les assemblages ont été chauffés à des températures variées, et la déformation a pu être mesurée en appliquant des poids.
Daniel et l’équipe ont effectué quatre essais qui leur ont permis d’en apprendre beaucoup en cours de route.
« Lors de notre premier essai, nous avons utilisé une pastille présentant un vide hélicoïdal, et il s’est avéré difficile d’enfiler les câbles à travers cette forme. Chaque câble comporte cinq sections où des réseaux de Bragg sont inscrits; nous avons cassé trois des cinq sections durant le processus. Nous nous sommes également rendu compte que si les vides s’inséraient trop près des câbles, le frottement devenait un problème, car les pastilles étaient chauffées. Dans les essais subséquents, nous avons utilisé une pastille avec deux vides droits, l’un pour mesurer la température avec le câble fixé en un seul point, et l’autre avec le câble fixé aux deux extrémités, qui a été utilisé pour mesurer la déformation lorsque la pastille s’est dilatée pendant le chauffage. »
Alors, qu’avons-nous appris? En résumé, cette technique est viable. Bien qu’il ait fallu quelques essais et erreurs et que plusieurs points à améliorer pourraient être abordés lors d’essais subséquents, les résultats ont montré l’applicabilité des fibres optiques à réseaux de Bragg intégrés pour la mesure de la température et de la déformation des pastilles de céramique dans les expériences préliminaires sur table.
