Les outils prédictifs pour l’exploitation à long terme constituent l’une des activités centrales du MAI. Les modèles mathématiques permettent non seulement de tester notre compréhension des phénomènes fondamentaux tels que la corrosion sous contrainte, la fatigue-corrosion et le fluage, mais également de capitaliser nos connaissances grâce à des bases de données de paramètres. Ils jouent en outre un rôle essentiel dans l’évaluation de la durabilité des composants et des matériaux sur des durées dépassant les échelles de temps raisonnablement accessibles et dans des conditions hors de portée de l’expérimentation. L’Institut dispose de l’un des supercalculateurs les plus puissants détenus par une organisation non gouvernementale. Cette puissance de calcul permet d’accélérer considérablement les simulations numériques complexes, notamment la dynamique des dislocations, la dynamique moléculaire, la modélisation ab initio, les simulations de Monte-Carlo, ainsi que la simulation de structures tridimensionnelles complexes des matériaux. Des simulations qui nécessitaient auparavant environ un mois de calcul peuvent désormais être réalisées en quelques heures.
Les plus de 40 années d’expérience en exploitation et d’expertise en gestion de la durée de vie des installations dont disposent les membres du MAI constituent une ressource unique et précieuse pour l’étude des mécanismes de vieillissement des matériaux. Les données issues du retour d’expérience sont obtenues à partir d’échantillons de matériaux mis à disposition par les exploitants après le remplacement de composants spécifiques.
Présentation du code C3D-NDT
C3D-NDT est un outil logiciel spécialisé dédié au contrôle des tubes de générateurs de vapeur par la méthode de contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault.
Développé par le département ERMES d’EDF R&D, il repose sur un code numérique basé sur la méthode des éléments finis pour la modélisation tridimensionnelle des champs électromagnétiques. C3D-NDT dispose d’une interface utilisateur permettant de définir de nombreux paramètres d’étude, notamment les caractéristiques des sondes, les types et géométries de tubes, les configurations de défauts, les paramètres d’influence et les modes de calcul.
Contexte industriel
Les principales applications de C3D-NDT comprennent l’évaluation des performances des sondes et les études de qualification, ainsi que l’analyse de défauts de plus en plus complexes et représentatifs des conditions réelles, notamment des défauts associés à des paramètres d’influence externes.
C3D-NDT est conçu pour répondre à la fois aux besoins de la R&D et aux exigences de l’ingénierie, en fournissant une solution optimisée pour accompagner l’exploitation et la maintenance du parc de production d’électricité.
Présentation de Vi(CA)2T
Vi(CA)2T est une boîte à outils logicielle dédiée au béton, capable d’estimer ses propriétés et son comportement à partir des données de formulation. Pour ce faire, elle intègre deux types de modèles :
- Modèles d’homogénéisation : à partir du comportement élémentaire des différentes phases et de modèles morphologiques, les propriétés et comportements effectifs sont estimés (tels que la rigidité, la complaisance au fluage propre ou la permittivité diélectrique).
- Modèles d’hydratation de la pâte de ciment : en combinant chimie et cinétique, ces modèles permettent, à partir des informations initiales de formulation, d’estimer au cours du temps les quantités de chaque phase (phases anhydres, hydrates, eau et, par extension, porosité), ainsi que les propriétés physiques liées à l’hydratation (température, chaleur dégagée).
Outre ses applications industrielles, cette boîte à outils est également utilisée comme support pédagogique lors de formations consacrées aux propriétés et au vieillissement des matériaux cimentaires.
Contexte industriel
Pour gérer l’exploitation à long terme des ouvrages de génie civil des centrales électriques, EDF a adopté une approche intégrée. Celle-ci repose sur trois piliers complémentaires : le calcul de structure, l’inspection et la connaissance des matériaux :
- sans calcul de structure, il n’est pas possible d’anticiper le comportement futur des structures ni d’évaluer l’impact des stratégies de mitigation et de réparation ;
- sans inspection, il n’est pas possible de diagnostiquer l’état actuel des structures ;
- sans connaissance et modélisation des matériaux, les calculs de structure ne peuvent pas s’appuyer sur des propriétés et des comportements pertinents des matériaux, et les données brutes issues des techniques d’inspection indirecte ne peuvent pas être correctement interprétées (par exemple, lorsque la teneur en eau est mesurée indirectement à partir de la permittivité diélectrique).
Vi(CA)2T contribue à ce dernier volet, consacré aux propriétés et au comportement des matériaux.
Présentation de VIRTUAL POLYMER
VIRTUAL POLYMER est un outil de modélisation multi-échelle conçu pour prédire l’évolution des propriétés des matériaux au cours de leur vieillissement et estimer leur durée de vie résiduelle.
Contexte industriel
Chaque centrale nucléaire compte environ 15 000 km de câbles électriques. Ce réseau est extrêmement difficile à remplacer en raison de son étendue et de son accessibilité limitée. Dans le cadre de l’exploitation à long terme des réacteurs nucléaires jusqu’à 60 ans et au-delà, la R&D d’EDF a lancé le projet CAIMAN sur son centre de recherche EDF Lab Les Renardières afin de surveiller et de prédire la durée de vie de ces composants critiques.
La durabilité des câbles constitue l’un des principaux axes de recherche de la R&D d’EDF. Depuis plusieurs décennies, l’équipe Polymères du groupe « Chimie et Matériaux pour l’efficacité énergétique » mène des études sur le vieillissement des câbles. Lors des campagnes de vieillissement accéléré, la caractérisation des matériaux est réalisée à différentes échelles, du niveau moléculaire jusqu’à l’échelle macroscopique, au sein des laboratoires de l’équipe. Ces études visent à comprendre les mécanismes de dégradation et à évaluer les effets du vieillissement sur les propriétés fonctionnelles des matériaux polymères utilisés dans les gaines et les isolants des câbles électriques.
Parallèlement, des expertises sont réalisées sur des câbles prélevés dans des centrales en exploitation afin d’établir des corrélations entre le vieillissement accéléré et le vieillissement naturel, et de fournir une évaluation de la durabilité de ces composants prélevés.
Pour accompagner les activités d’ingénierie dans ce domaine, le département Mécanique des Matériaux et des Composants de la R&D d’EDF a développé l’outil numérique VIRTUAL POLYMER. Fondé sur une approche multi-échelle, cet outil permet de prédire l’évolution des propriétés des matériaux tout au long du processus de vieillissement et d’estimer leur durée de vie résiduelle en comparant les résultats des simulations à des critères de fin de vie prédéfinis.
Présentation de CORIOLIS
CODE_CORIOLIS a été développé par la R&D d’EDF pour prédire la cinétique et la localisation de la corrosion sous contrainte (CSC) dans des structures tridimensionnelles. La simulation repose sur une analyse rapide, réalisée après un calcul par éléments finis, qui enchaîne des modèles d’amorçage et de propagation des fissures de corrosion intergranulaire sous contrainte (IGSCC). CODE_CORIOLIS offre de nouvelles possibilités pour différents types d’utilisateurs :
- pour les chercheurs : mieux calibrer et valider les modèles de CSC grâce à une vision globale en 3D, en reproduisant numériquement les essais de CSC réalisés en laboratoire ;
- pour les ingénieurs et les utilisateurs finaux : mieux prédire la CSC dans de grands composants industriels modélisés en 3D, afin d’accompagner les examens réalisés sur des composants retirés du service ou de mener des études paramétriques.
Nos premiers calculs ont démontré qu’il est possible de simuler la CSC à l’échelle d’un composant de grande dimension grâce à un modèle fondé sur une approche physique, s’appuyant sur des observations locales (MEB, MET) et des simulations à petite échelle (plasticité cristalline). Nos efforts portent actuellement sur la validation de la méthodologie développée, à partir de la caractérisation de maquettes et du retour d’expérience en exploitation.
Contexte industriel
CODE_CORIOLIS est un outil numérique développé par EDF pour appliquer des modèles de CSC à l’échelle de composants tridimensionnels. L’outil numérique CODE_CORIOLIS fournit en sortie le temps d’amorçage sur l’ensemble de la surface du composant, ainsi que le chemin de fissuration et la profondeur des fissures en fonction du temps. Les phénomènes fondamentaux associés aux étapes d’incubation et d’amorçage sont intégrés, couplés et enchaînés avec les lois de propagation dans des structures 3D, en quelques secondes grâce à la puissance du calcul numérique.
