Les matériaux du nucléaire. Modélisation et simulation des matériaux de structure

La réussite des projets d'assainissement-démantèlement des installations nucléaires en fin de vie représente un enjeu capital pour l'industrie nucléaire, tant sur le plan de la sûreté que sur le plan économique, conditions indispensables à sa crédibilité vis-à-vis de l'opinion publique.Ces projets sont soumis à plusieurs défis : sur le plan stratégique, ils nécessitent une programmation sur le long terme et une gestion rigoureuse des risques et des priorités ; sur le plan opérationnel, ils exigent une préparation amont en termes d'inventaires, d'investigations, de cartographies, d'études de faisabilité, de gestion des données ; et sur le plan organisationnel, ils demandent une synergie entre métiers, exploitation, gestion de projet et R&D. Les projets d'assainissement-démantèlement se caractérisent par une grande diversité de situations : un réacteur, une usine du cycle du combustible ou une installation nucléaire accidentée ne sont pas démantelés de la même façon. Le lecteur trouvera, dans la présente monographie, un aperçu à jour des techniques mises en oeuvre pour la caractérisation de l'installation, pour les opérations d'assainissement-démantèlement (A&D) proprement dites et pour la gestion des déchets issus desdites opérations, ainsi que des exemples de chantiers d'A&D entrepris par le CEA, qui a déjà à son actif de nombreuses réussites, à la fois comme maître d'ouvrage pour l'assainissement-démantèlement de ses propres installations et comme opérateur de R&D au service des industriels.

Alors que le nucléaire civil connaît un véritable regain d intérêt, il faut savoir aussi exactement que possible de quoi on parle, qu il s agisse du nucléaire proprement dit ou des sciences et techniques qui lui sont associées. Pourtant, les documents de synthèse de bon niveau scientifique sur ce type d énergie sont rares... Pour combler cette quasi-lacune et donner à ses travaux l éclairage qu ils méritent, le Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) dresse, sous forme de courtes monographies, un tableau complet des recherches en cours dans le domaine de l énergie nucléaire civile. Celles-ci étant pluridisciplinaires et de nature diverse, la série de monographies du CEA explore et synthétise des thèmes aussi différents, mais complémentaires, que les réacteurs du futur, le combustible nucléaire, les matériaux sous irradiation ou les déchets nucléaires... S adressant à la fois à des scientifiques dont ce n est pas le domaine de compétence, mais qui sont en quête d information, et à un plus grand public curieux de son environnement technologique présent et futur, les monographies du CEA présentent les résultats récents de la recherche dans leur contexte et avec leurs enjeux. Historiquement, les sciences nucléaires se sont développées parallèlement aux progrès de l instrumentation pour la mesure de la radioactivité et la détection de particules. Aujourd hui encore, l instrumentation est une science à part entière, qui fait l objet d une recherche active trouvant des applications, en particulier dans l équipement des installations nucléaires. Celles-ci demandent toute une panoplie d instruments pour une mesure précise des grandeurs qui caractérisent leur fonctionnement. Il y va de leur contrôle, et de leur sûreté. Il s agit d une instrumentation spécifique puisqu elle concerne principalement (mais pas seulement) la détection de la radioactivité, et qu elle doit travailler en milieu hostile avec de grandes exigences d exactitude, de robustesse et de fiabilité. La présente monographie offre un panorama des instruments de mesure et de contrôle utilisés dans les différents domaines de l énergie nucléaire civile, depuis les réacteurs de puissance jusqu à la radioprotection, en passant par l instrumentation pour les installations du cycle du combustible, la gestion des déchets radioactifs ou l assainissementdémantèlement des installations nucléaires. Le lecteur sera sans doute frappé par la diversité et la technicité des instruments mis en jeu, l importance desméthodes d assimilation de données issues de la mesure, et par l ampleur de l effort consacré à leur développement par la communauté nucléaire, en général, et par le CEA, en particulier.

L'augmentation continue de la puissance de calcul des ordinateurs est en train de bouleverser la façon d étudier les systèmes physiques complexes, en sciences et en technologie. Le calcul haute performance permet désormais de simuler bon nombre de ces systèmes en leur appliquant les lois physiques élémentaires, même si celles-ci sont transcrites dans des équations compliquées ou mettent en oeuvre un grand nombre de variables. Cette évolution déplace le statut épistémologique de l expérience. Certes, cette dernière reste indispensable à la validation des modèles et codes de calcul décrivant un système physique, mais la simulation une fois validée peut dans certains cas acquérir une valeur quasiment équivalente à celle d un résultat expérimental, et peut être utilisée de lamêmemanière pour explorer le comportement d un système complexe sans qu il soit nécessaire de recourir à des expériences intégrales coûteuses. A elle seule, l évolution desmachines n est pas suffisante pour assurer les progrès de la simulation et du calcul haute performance. Il faut accompagner les progrès du "hardware" par des avancées dans le domaine du "software" et des méthodes numériques de résolution des équations constitutives des modèles. Un des grands défis de la simulation est d assurer la pérennité et la maintenance de codes et plates-formes de calcul dont la durée de développement est supérieure à la durée de vie des machines sur lesquelles ils tournent. La présente monographie décrit le travail mené au CEA dans ce champ immense et pluridisciplinaire, qui associe informaticiens, numériciens et physiciens. Dans une première partie de l ouvrage, le lecteur trouvera ce qui touche aux méthodes : architecture des machines, architecture logicielle, algorithmes etméthodes numériques. La seconde partie de l ouvrage illustre par une dizaine d exemples les applications du calcul haute performance dans les différents champs d activité du CEA civil, depuis la dynamique des galaxies jusqu à la génomique en passant par la simulation des réacteurs nucléaires, tout enmettant en évidence les similitudes des méthodes employées dans des domaines si divers.

Cet ouvrage s'adresse à un large public, la lecture du texte ne mande aucune connaissance mathématique. L'auteur mélange autobiographie et épistémologie des mathématiques. Il éclaire les joies et les servitudes du chercheur. Il nous parle de doute, d'échec, de stress mais aussi de périodes euphoriques, de trophées, de voyages. Nous découvrons comment les mathématiciens évacuent leur stress. L'auteur nous retrace la vie de quelques hommes exceptionnels habités par la passion des mathématiques. Il décrit les relations entre le " patron " et son élève, l'apprenti-mathématicien. Les mathématiques se dissimulent aujourd'hui derrière la majeure partie des objets et des techniques de notre environnement, elles s'inscrivent dans la vie de tous les jours, pourtant, elles sont comme transparentes. Nous découvrons les conjectures si passionnantes, les théorèmes dormeurs, le chaos, la modélisation... et puis les mathématiques financières et les interrogations qu'elles suscitent. L'auteur nous conduit jusqu'aux limites actuelles des calculs. La recherche, souvent dopée par l'informatique, devient de plus en plus multidisciplinaire ; les mathématiques en bénéficient, elles qui constituent une discipline transverse à toutes les autres, une sorte de dénominateur commun. La flamme est très loin de s'éteindre. Les jeunes mathématiciens ont bien de la chance, ils n'ont que l'embarras du choix face à tous les chemins qui leur sont ouverts.