La généralisation des réacteurs nucléaires compacts nécessite des échangeurs de chaleur compacts sûrs et fiables, ces composants devant résister à des environnements à haute température et haute pression. Une équipe de recherche pluridisciplinaire dirigée par des ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison a récemment mis au point une nouvelle méthode pour évaluer le soudage par diffusion, offrant aux fabricants, aux autorités de régulation et aux fournisseurs un moyen unique de détecter la résistance de la liaison des matériaux des échangeurs de chaleur. 
Les échangeurs de chaleur à circuit imprimé sont fabriqués par un procédé de soudage par diffusion, qui implique l'empilement de plaques métalliques rainurées et l'application de chaleur et de pression pour les fusionner. Ce processus permet de créer une pièce unique contenant un réseau de canaux étroits, afin d'assurer un transfert de chaleur efficace et de résister à des pressions et températures élevées.
« Le processus de soudage par diffusion ressemble un peu à superposer deux barres de chocolat et à les presser jusqu'à ce qu'elles ne forment plus qu'une seule », explique Mark Anderson, professeur de génie mécanique à l'Université du Wisconsin-Madison. « Notre objectif est d'obtenir la liaison la plus forte possible entre les couches. »
Des températures et pressions élevées prolongées peuvent affaiblir la soudure, affectant les performances de l'échangeur de chaleur et posant des risques pour la sécurité. Le défi de l'évaluation de la résistance de la liaison par soudage par diffusion réside dans l'absence de méthode standard fiable. Pour relever ce défi, les chercheurs ont étudié deux matériaux déjà approuvés pour les applications nucléaires à haute température : l'acier inoxydable 316H et l'alliage 617.
« Nous savons que ces matériaux se comportent bien à haute température, mais nous devons encore prouver que le soudage par diffusion peut créer une liaison suffisamment forte, avec une croissance des grains à l'interface suffisante pour résister aux hautes températures et pressions », déclare Ian Jentz, scientifique en génie mécanique à l'Université du Wisconsin-Madison.
L'équipe a collaboré avec le fabricant CompRex, basé à La Crosse dans le Wisconsin, pour créer des échantillons soudés par diffusion avec ces matériaux. Les échantillons ont été coupés pour exposer l'interface de liaison et examinés au microscope pour évaluer le degré de croissance des grains. Plus les grains de microstructure se développent à travers l'interface pendant le processus de liaison, plus la liaison est solide.
Le comptage et la mesure manuels des grains étant fastidieux, les chercheurs ont collaboré avec MIPAR et l'Electric Power Research Institute (EPRI) pour développer un outil personnalisé. Celui-ci utilise un logiciel d'analyse d'image automatique pour détecter et évaluer les grains dans les images des échantillons. L'outil calcule le pourcentage total de croissance des grains traversant l'interface dans la soudure, fournissant un indicateur standardisé de la résistance de la liaison, essentiel pour l'élaboration d'un cas de code ASME pour les composants soudés par diffusion.
« Notre outil contribuera à renforcer la confiance dans les échangeurs de chaleur compacts, ouvrant la voie à la certification de cette technologie pour une utilisation dans les réacteurs nucléaires », déclare Anderson. Un futur cas de code pourrait stipuler un pourcentage minimum requis de croissance des grains à l'interface dans la liaison, afin d'autoriser l'utilisation des composants dans les applications de chaudières et de récipients sous pression à haute température.
« Notre nouvel outil et notre nouvelle méthode garantissent que les fabricants peuvent faire confiance à l'intégrité de chaque liaison à chaque fois qu'ils produisent un échangeur de chaleur compact à l'échelle commerciale », ajoute Anderson. « Cette recherche apporte des avantages concrets et durables aux entreprises de réacteurs et à l'avenir de la production d'électricité mondiale. » Les collaborateurs de l'étude incluent Ian Jentz, l'étudiant diplômé Lucas De Sossi et Andrea Bollinger de l'Electric Power Research Institute.
