L’atelier de fabrication additive de combustible nucléaire est implanté dans une ICPE (Installation Classée pour l’Environnement) nucléaire, Labo UO2, exploitée par le Département d’Etudes des Combustibles au sein de l’IRESNE.
Les éléments combustible nucléaire sont habituellement réalisés par pressage de poudre d’oxyde d’uranium. Ce procédé impose des contraintes qui limitent le champ des possibles (géométrie, constituant…) pour les matériaux à fabriquer.
La technologie de fabrication additive choisie pour les études en cours est le robocasting. Elle permet de créer des objets tridimensionnels à partir d'un modèle numérique. Les objets sont réalisés couche par couche à partir de l’extrusion d’une pâte. Une fois imprimées, les pièces sont traitées thermiquement pour être consolidées et obtenir un matériau dense.
Le robocasting permet par ailleurs la mise en œuvre simultanée de plusieurs matériaux.
Par cette technologie d’impression, on peut changer à volonté, les formes et les matériaux et, par exemple, réaliser des réseaux métalliques dans la céramique UO2. On obtient alors un matériau composite que l’on appelle CERMET pour céramique-métal.
Depuis 2021 des pastilles céramiques ou CERMET simulant le combustible nucléaire (l’oxyde d’uranium, UO2) ont été réalisées par ce procédé, en alumine (oxyde d’aluminium) ou alumine/métal. Elles constituent des prototypes pour l’élaboration de pastilles combustibles innovantes plus complexes.
L’intérêt est d’améliorer les propriétés thermiques, mécaniques, chimiques ou neutroniques de futurs combustibles et de tester à terme de futurs concepts.
Les technologies de fabrication additive n’ont pour l’instant encore jamais été mises au point pour la réalisation de prototypes combustibles à base d’oxyde d’uranium. C’est le chainon manquant d’une conception entièrement numérique, du dessin à la modélisation des propriétés.
Le développement de l’atelier de fabrication additive est mené dans un cadre collaboratif avec EdF et Framatome, et en collaboration avec l’IRCER (Institut de Recherche sur les Céramiques). Il a nécessité la construction et la mise au point d’une machine d’impression prototype. La transposition de cette technologie au matériau UO2 est en cours au laboUO2.