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La transition numérique du nucléaire français

Des freins, la transition numérique des entreprises françaises en connait. Résistance au changement, difficultés – éternelles – de dialogue entre les équipes des systèmes d’information (SI) et les équipes métiers, etc. Dans l’industrie du nucléaire, une composante supplémentaire contribue à cette inertie : la sûreté.

Longtemps considérée comme précurseur technologique, l’industrie du nucléaire pâtit aujourd’hui d’une comparaison fréquente aux acteurs de l’automobile et de l’aéronautique. Pour eux, le virage numérique est bien engagé et a déjà prouvé sa valeur ajoutée.

Pourtant, lors de sa convention annuelle le 30 mars, la Société Française d’Énergie Nucléaire (SFEN) a témoigné son ambition d’accélérer sa transformation numérique.

Quels sont les usages actuels du numérique dans cette industrie ? quelles sont les opportunités digitales perçues par ses parties prenantes ? C’est ce que nous vous proposons de découvrir sur Energysteam dans cette série d’articles.

Le nucléaire, précurseur dans la numérisation de certains processus.

En 1958, dans des contextes géopolitiques et énergétiques sous tension, le Général De Gaulle engage une course à l’indépendance nationale selon deux programmes : l’un militaire, l’autre civil. Ce second aura pour objectif de rendre la France plus indépendante énergétiquement. Il se verra ensuite dopé par de multiples crises telles que le choc pétrolier de 1973, mettant alors en lumière la dépendance forte des pays occidentaux à l’or noir. Cette même course fait aujourd’hui du système énergétique français un cas unique en son genre, où plus de 72% de l’électricité est produite à l’aide de l’atome. Le caractère « indépendant » est toutefois discutable, la totalité du combustible nécessaire est en effet importé.

Créé en 1945 avec pour but de contribuer aux avancées pour la défense et l’industrie, le Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) poursuit aujourd’hui ses travaux en participant au développement d’outils numériques pour le compte des industriels et énergéticiens. En particulier des logiciels de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) également appelés « codes ». Ceux-ci peuvent être employés selon plusieurs échelles et à différentes phases d’un chantier. Depuis l’élaboration des plans unitaires de chaque élément, jusqu’à la modélisation globale d’une installation. Utilisés dès les années 70 – les doyens des réacteurs nucléaires français ont été mis en service en 1977 – les codes ont progressivement évolué pour faciliter les étapes de conception et ainsi permettre d’en optimiser les coûts. La numérisation de ces processus a plusieurs vertus : d’abord elle conduit à une standardisation des composants constituant les installations nucléaires. Par la modularisation, un utilisateur peut se constituer une bibliothèque de composants, qu’il peut aisément mettre à jour et réexploiter à loisir d’un projet à un autre. En éliminant les tâches répétitives, il s’affranchit alors des risques d’erreur induit par des approches parfois empiriques, et observe un gain de temps considérable pour passer de l’étude de faisabilité aux plans d’exécution.

La seconde vertu est celle de la représentation. Notre monde étant ordonné selon trois dimensions, il est souvent plus naturel de se représenter un objet dans un référentiel 3D. Or la 2D reste encore à ce jour majoritairement employée dans les phases de construction, sa représentation doit donc être conservée. Par les outils de CAO, le numérique établit un lien entre ces deux modes de représentation. Ce lien est exhaustif : il permet, pour une représentation 3D donnée, de produire toutes les vues 2D nécessaires. Il est aussi dynamique : une modification apportée au modèle 3D est immédiatement reportée sur les plans 2D. Deux propriétés chacune synonyme de gain de temps, de réduction du risque d’erreurs et de facilitation des processus de conception.

Enfin, à l’étape de conception, la numérisation permet de faciliter les échanges entre les différentes disciplines du nucléaire. Chacune très complexe, on distingue quatre disciplines : la neutronique (étudie le cheminement des neutrons dans la matière et les réactions qu’ils induisent), la thermo-hydraulique (caractérise le mouvement des fluides en fonction des conditions de température), le comportement des matériaux sous irradiation et la mécanique des structures. En réponse aux besoins spécifiques à chaque discipline, les codes proposés par le CEA sont, pour certains, répartis en plateformes « mono-disciplinaires ». En complément, les plateformes « multiphysiques » regroupent d’autres codes visant à concilier les besoins de plusieurs disciplines. Cet interfaçage a pour objectif de mettre en valeur les éventuels conflits entre disciplines, imperceptibles sinon, et ainsi repérer les erreurs au plus tôt dans les étapes de conception. Le numérique facilite cette confrontation, et aide à identifier les erreurs en amont de la phase de construction.

Réduction du temps de conception et du risque d’erreur sont les deux principaux gains de la standardisation et de la représentation offerts par le numérique. Deux gains qui se traduisent par une réduction importante des coûts.

Une optimisation de la conception, qui ne se fait pas sans assurer sûreté et sécurité

À ne pas confondre avec sa sœur « sécurité » (visant à prévenir les actes malveillants), la « sûreté » nucléaire cherche à prévenir les accidents ou à en limiter les conséquences. « Accident » lui-même est à distinguer de son ‘petit’ frère « incident », situé plus bas sur l’échelle internationale des évènements nucléaires (INES) définie par l’agence pour l’énergie nucléaire (AIEA) selon 7 niveaux. La limite entre ces deux derniers se situe dans les rejets occasionnés lors de tel évènement : on parle d’accident – niveaux 4 à 7 – à partir du moment où l’exposition du public au rejet est de l’ordre des limites prescrites. On compte ainsi 2 accidents majeurs – de niveau 7 – à ce jour : Tchernobyl et Fukushima.

Malgré leur caractère dramatique, chaque accident a contribué à une meilleure compréhension des risques encourus et des phénomènes potentiellement induits. À l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), les données de l’accident de Three Mile Island – de niveau 5 – sont à ce jour encore régulièrement employées comme étalon pour valider les résultats des logiciels développés. Parmi ceux-ci, on retrouve par exemple ASTEC, dont l’objectif est de simuler l’ensemble des phénomènes qui interviendraient au cours d’un accident de fusion du cœur d’un réacteur à eau sous pression, depuis l’évènement initiateur jusqu’à l’éventuel rejet de produits radioactifs à l’extérieur de l’enceinte de confinement. La mise en place de plans d’action en est ainsi facilitée et rendue plus précise et pertinente.

Outre la prévision et la gestion des conséquences d’un accident, le numérique en permet également la prévention. Toujours grâce à l’analyse de données existantes, d’expérimentation ou de cas réels, le numérique permet d’extrapoler et simuler des comportements physiques à risque. Ainsi le CEA propose des outils de simulation numérique capables d’illustrer les conditions de fonctionnement à risque. Par exemple, un de ces outils aide à quantifier et expliquer précisément la sollicitation d’une gaine de combustible dans un réacteur. Pour aller plus loin, l’IRSN propose de son côté CRISTAL, qui permet d’évaluer le risque de criticité – emballement de la réaction en chaîne – dans un réacteur ou lors du transport de matières radioactives. Les exploitants peuvent alors utiliser ces informations pour leurs opérations, en appui au contrôle et à la surveillance des installations.

Non seulement le numérique améliore la sûreté par l’aide à la compréhension et connaissance des systèmes, mais il permet aussi de former les acteurs et opérateurs dans des conditions de sûreté accrues. En 2015 chez EDF, 13% des formations ont bénéficié des apports du numérique. L’énergéticien compte 5 simulateurs numériques de conduite de réacteur en France, qui permettent chacun de plonger les stagiaires dans des scénarios plus vrais que nature. En comparaison à un simulateur analogique, le numérique permet, à logistique et coûts réduits, de simuler davantage de scénarios complexes et de « modèles » de réacteurs différents. Avec un objectif de porter à 20% la part de formation bénéficiant du numérique d’ici à 2020, EDF affiche son ambition d’améliorer encore la sûreté, sans toutefois substituer le numérique au réel qui reste le moyen de formation privilégié.

Un secteur cependant en retard face à la transformation numérique en cours.

Réunissant universitaires et professionnels du secteur, la SFEN a tenu sa convention annuelle le 30 mars dernier. Son vice-président Xavier Ursat, directeur exécutif d’EDF en charge de la direction ingénierie et projets nouveau nucléaire, a reconnu que « par rapport à d’autres secteurs industriels qui sont aussi dans des enjeux de compétitivité, de timing, de respect des engagements très forts, (…) [EDF a] sans doute pris un petit peu de retard ».  Pour rattraper ce dernier, il estime que « la transformation numérique est un des leviers fondamentaux ».

Deux jours plus tôt – au 38ème anniversaire de l’accident de Three Mile Island – l’organisation dévoilait son livre blanc « L’énergie nucléaire, une nouvelle ambition ». Destiné aux 11 candidats du premier tour à l’élection présidentielle française, dont les programmes pour l’énergie sont variés, cet ouvrage établit plusieurs propositions pour le nucléaire du futur. Parmi celles-ci, plusieurs visent à « tirer parti du potentiel de transformation des technologies du numérique ». Depuis l’utilisation de réalité augmentée en appui à l’exploitation jusqu’à l’intelligence artificielle pour tendre vers une maintenance plus précise, voire prédictive, les technologies envisagées sont nombreuses. Mais le « choc de simplification » espéré est ailleurs : « l’outil numérique, bien utilisé, serait de nature à faciliter les contrôles de conformité réglementaire et libérerait davantage de temps pour le dialogue technique entre les acteurs, l’évaluation de sûreté et le développement de démarches innovantes ». L’ambition est haute, à l’aune des succès observées dans d’autres secteurs tels que « l’aéronautique [qui] a montré qu’il était possible d’associer renforcement de la sûreté, compétitivité et innovation ». Entre autres moyens mentionnés, le numérique permettra de dématérialiser la documentation : un dossier de générateur de vapeur comprend aujourd’hui plusieurs dizaines de milliers de pages. Il favorisera également la transmission et la traçabilité des informations, vis-à-vis desquelles l’IRSN reste particulièrement vigilante. Outre une veille active des opportunités et point de vigilance vis-à-vis de la digitalisation des échanges entre exploitants et industriels, l’IRSN mène également plusieurs projets liés aux nouveaux usages permis en matière de partage d’information en cas de situation d’urgence.

En écho à ces ambitions, EDF s’est fixé trois grands enjeux afin de rattraper son retard. D’abord un enjeu de sécurisation des grands programmes industriels, notamment par la création de « jumeaux numériques » de chacun des 58 réacteurs du parc français. Non seulement ceux-ci donneront une vision plus fine de l’état d’un réacteur, synonyme de sûreté accrue, mais ils faciliteront aussi les échanges avec les équipes, les sous-traitant et les fournisseurs. Lors d’un arrêt de tranche – pour maintenance tous les 12 ou 18 mois et renouvellement du combustible – les opérations seront ainsi mieux anticipées et coordonnées entre les différents acteurs. Dans le cadre du fameux grand carénage, ces mêmes jumeaux aideront à l’industrialisation des opérations d’un réacteur à l’autre. Enfin ils permettront une meilleure planification des futures opérations de déconstruction. Pour finir, les deux autres enjeux sont la simplification des opérations – en dotant les opérateurs d’équipements mobiles tels que des tablettes pour consommer la documentation dématérialisée par exemple – et l’amélioration des performances quotidiennes par l’augmentation de la disponibilité des réacteurs et la diminution des arrêts non planifiés. Pour répondre à ceux-ci, EDF prévoit d’implémenter les mêmes technologies qu’évoquées dans le livre blanc de la SFEN : de la big data pour la maintenance prédictive en particulier.

Des opportunités pertinentes indépendamment de la trajectoire empruntée par la transition énergétique. 

Là où la question de la décarbonisation ne fait plus débat – pour la plupart – celle de la dénucléarisation du système énergétique français déchaîne les passions. Depuis août 2015, la loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte requiert une réduction de la part du nucléaire dans le mix français de 72 à 50% de la production électrique d’ici 2025. Elle fixe aussi comme objectif une diminution de 20% la consommation énergétique finale en 2030 par rapport à 2012. Le secteur nucléaire devra ainsi progressivement réduire la voilure, pour laisser davantage de place aux énergies renouvelables.

Les opportunités permises par le numérique restent toutefois pertinentes. Nombre de ces solutions peuvent être implémentées dans des temps relativement courts, nécessitent des investissements modérés voire faibles et permettront ainsi des gains à court terme.

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