Construire le savoir-faire, soudure après soudure

Le soudage occupe une place centrale dans le programme ITER. Tous les principaux composants du tokamak sont métalliques et leur assemblage, ainsi que celui des systèmes auxiliaires, repose largement sur le soudage. Des circuits de refroidissement aux systèmes de diagnostic, jusqu’à l’assemblage des neuf secteurs de la chambre à vide, cette technologie intervient à toutes les étapes de la construction de la machine. Si les procédés employés à ITER s’appuient sur les mêmes principes fondamentaux que ceux utilisés dans l’industrie nucléaire de fission ou dans l’industrie lourde, les défis auxquels ils sont confrontés sont, eux, spécifiques à la fusion et à ITER.

« En raison de la taille du tokamak, de la complexité de l’instrumentation et des contraintes d’espace, nous résolvons des problèmes auxquels personne n’avait encore été confronté », explique Frédéric Lobinger, un ingénieur en soudage. « Accessibilité, maîtrise des déformations dues au soudage, séquencement des opérations d’installation, stratégies de réparation, exigences de qualité ou intégration des diagnostics : dans tous ces domaines, ITER produit de nouvelles connaissances. »

À ITER, le soudage se décline à toutes les échelles. Certaines soudures sont extrêmement fines — à peine 0,1 mm d’épaisseur pour fixer les capteurs de température du solénoïde central par exemple — tandis que d’autres atteignent des dimensions exceptionnelles, comme les soudures de fermeture de 105 mm d’épaisseur réalisées sur les bobines de champ toroïdal. Entre ces deux extrêmes, des milliers d’opérations de toutes tailles représentent un volume total considérable : près de 10 tonnes de métal d’apport seront déposées sur la chambre à plasma et environ 40 tonnes supplémentaires pour les équipements dans les couloirs d’accès autour du tokamak.

Concevoir des méthodes pour des équipements inédits

L’un des principaux défis du soudage à ITER tient au caractère inédit de nombreux composants et configurations d’instrumentation. Alors que l’industrie de la fission — qui bénéficie de plus de soixante années d’expérience dans la construction de réacteurs — a pu optimiser leur conception pour faciliter les opérations de fabrication et de soudage, seuls quelques tokamaks ont été construits à ce jour et aucun n’atteint les dimensions d’ITER.

« Les normes que nous appliquons reposent sur une solide expérience industrielle, mais les équipements d’ITER sont souvent sans équivalent », souligne l’ingénieur en soudage Hoyoung Kim. « Le procédé de soudage lui-même n’est pas fondamentalement différent. Ce qui change, c’est que les réacteurs de fusion sont beaucoup plus récents et nombre de leurs composants n’ont pas encore atteint ce niveau d’optimisation. Les futurs projets de fusion tireront pleinement parti de l’expérience acquise à ITER. »

Maîtriser les déformations

Parmi les phénomènes étudiés de près figurent les déformations dues à la dilatation et à la contraction non uniformes de la soudure et du métal de base. Lorsqu’un métal est soudé, il est porté à haute température. En refroidissant, le métal d’apport ainsi que le matériau environnant se contractent. Dans le cas de l’acier inoxydable, cette contraction peut être importante et s’accentuer avec l’épaisseur des pièces.

Des installations de fusion antérieures, comme le tokamak européen JET, ont déjà été confrontées à ce phénomène. Toutefois, les dimensions et les épaisseurs mises en œuvre étaient nettement inférieures à celles d’ITER, ce qui limite la possibilité de transposer directement les retours d’expérience. Des travaux sont donc en cours afin de modéliser précisément les déformations dues aux soudures de la chambre à vide d’ITER, dont les effets auront une influence déterminante sur les dimensions finales, l’alignement des composants et le respect des tolérances d’assemblage.

Une instrumentation sans équivalent

L’instrumentation constitue un autre enjeu majeur pour les équipes de soudage. Conçu comme un dispositif expérimental, le tokamak ITER intègre un nombre exceptionnel de systèmes de diagnostic, de capteurs, de câbles, de goujons et de supports. Les scientifiques souhaitent mesurer et analyser pratiquement tous les phénomènes qui se produisent dans le plasma.

Cette ambition se traduit par un volume d’instrumentation à installer et à souder bien supérieur à celui qui serait nécessaire dans une future centrale électrique à fusion, dont la conception serait avant tout optimisée pour l’exploitation industrielle.

Travailler dans un espace toujours plus contraint

Le défi le plus exigeant reste toutefois l’accessibilité. Lorsque les composants sont fabriqués en usine ou assemblés dans un atelier hangar à ITER, les équipes disposent d’un espace de travail relativement confortable. À l’intérieur du tokamak, la situation est tout autre : à mesure que l’assemblage progresse, l’espace disponible se réduit et certains emplacements deviennent particulièrement difficiles d’accès.

Pour anticiper ces contraintes, ITER a développé des simulations en réalité virtuelle permettant de reproduire fidèlement la configuration future de la machine et d’aider les ingénieurs à élaborer des stratégies de soudage adaptées à cet environnement complexe.

« Maintenant que cinq modules de secteur ont été installés dans le puits du tokamak, chacun peut constater à quel point l’espace disponible se réduit », observe Frédéric Lobinger. « La machine est immense, mais lorsque des dizaines d’intervenants, d’outils, de tuyauteries, de systèmes de diagnostic et d’échafaudages doivent coexister dans une même zone, l’accès devient un enjeu majeur. L’accessibilité sera sans aucun doute l’un des défis déterminants du soudage à ITER. »

Au cours des prochaines années, les solutions développées pour répondre à ces différents défis feront l’objet d’une documentation rigoureuse. Elles contribueront à établir les références techniques et les bonnes pratiques qui accompagneront les futurs projets de fusion.