Limiter l'impact environnemental d'une ère nucléaire

Défi

Mettre au point une méthode plus sûre pour l'élimination des déchets radioactifs dangereux.

Solution

Utiliser des modèles prédictifs, des plans d'expériences et d'autres applications statistiques de JMP afin de réaliser de puissantes analyses impliquant de nouvelles formulations du verre et fournissant des informations sur les processus de vitrification et les performances matérielles du verre.

Résultats

En adoptant des méthodes de recherche plus efficaces, les scientifiques du CEA sont en mesure de traiter davantage d’informations, plus rapidement et à moindre coût pour l’institution. Les efforts économisés grâce à une expérimentation rationalisée peuvent être réaffectés pour soutenir d’autres initiatives pertinentes.

Alors que les effets du changement climatique mondial deviennent de plus en plus tangibles chaque jour, la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de développer de meilleurs mécanismes pour les énergies renouvelables et à faible émission de carbone à grande échelle est devenue tout à fait urgente. En Europe, le gouvernement français montre la voie avec son Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Ce géant de la recherche, qui compte 16 000 personnes et qui a été classé en mars 2017 par Reuters comme l'institution de recherche publique la plus innovante d'Europe (et la deuxième au monde), est l'incarnation institutionnelle de la devise « joindre l'acte à la parole ».

Les institutions publiques contribuent largement à repousser les limites de la science et de la technologie nucléaire

« Il y a tellement de défis dans le domaine des technologies énergétiques aujourd’hui. « C’est pour cela que notre métier de scientifique est passionnant », explique Damien Perret, chercheur en R&D spécialisé dans le conditionnement des déchets nucléaires au CEA. Damien Perret est basé au CEA de Marcoule, centre de recherche dédié à la préparation d’un avenir énergétique bas carbone à l’ère du nucléaire. Les activités de R&D de l'installation comprennent l'optimisation de l'industrie nucléaire, le recyclage des matériaux réutilisables dans le combustible usé (uranium et plutonium), le démantèlement des installations nucléaires et la gestion des déchets radioactifs.

Ce dernier est le domaine de Perret – un domaine qui remonte au milieu des années 1960 en France, lorsque le CEA a commencé à utiliser le verre borosilicaté comme matrice de confinement pour les déchets de combustible nucléaire usé. Aujourd’hui, la transformation de la matière nucléaire en verre, ou vitrification, est la norme internationalement reconnue pour minimiser les répercussions environnementales de l’élimination des déchets. « La vitrification est le meilleur compromis en termes de confinement – durabilité chimique, stabilité thermique et résistance à l’irradiation – faisabilité technologique et coût (via le facteur de réduction de volume) », précise M. Perret. « Depuis plus de 40 ans, les scientifiques, ingénieurs et experts nucléaires français du CEA et d’Orano se penchent sur la vitrification afin d’apporter une solution globale aux problématiques de gestion des déchets de haute activité. »

« Avec un même logiciel, je peux me connecter à notre base de données interne, extraire les données sélectionnées au moyen de filtres, combiner des tables de données, nettoyer mes données, les visualiser et les analyser à l'aide de puissantes techniques statistiques. »

– Damien Perret, ingénieur en R&D

Les plans d’expériences sont un moyen très rentable d’accélérer la recherche critique

Perret cherche à concevoir des formulations de verre optimisées et spécialement adaptées aux caractéristiques des déchets. Une formulation optimale doit, entre autres, répondre aux contraintes technologiques du processus de fabrication et produire des résultats finaux adéquats par rapport aux exigences d’élimination. « Ce travail », explique-t-il, « consiste à réaliser des études expérimentales liées à l’élaboration et à la caractérisation de matériaux en verre, à calculer les données avec une base de données interne et à analyser ces données pour construire des modèles prédictifs. »

Dans la formulation des matériaux, les chercheurs cherchent à comprendre comment la modification du contenu d’un composé particulier peut affecter les propriétés finales d’un matériau. La conception d’expériences (DOE) leur permet d’ajuster tous les facteurs en même temps, plutôt que d’exécuter une multitude de tests à facteur unique. « Un point crucial est lié au nombre d’expériences que vous prévoyez de réaliser dans un DOE. Dans notre domaine, une seule opération implique de nombreuses tâches liées aux étapes d'élaboration et de caractérisation du verre. Mais le coût final de chaque course est important. Le DOE permet de définir avec autant de précision que possible le nombre exact d'exécutions nécessaires pour obtenir le résultat souhaité.

Le coût de l’expérimentation dans le domaine de la formulation du verre nucléaire est particulièrement élevé. C’est l’une des raisons pour lesquelles, selon Perret, il est si important d’utiliser des décennies de données historiques importantes. « Cela signifie d’abord faire une analyse statistique des données existantes et ensuite, obtenir le maximum d’informations possible pour de futures expérimentations avec un nombre minimum d’exécutions. « La réduction des coûts par rapport à la réduction des essais est généralement l’objectif et l’avantage de l’utilisation d’une stratégie DOE », dit-il. « En fait, nous sommes confrontés à de nombreuses questions nécessitant l’utilisation de statistiques, par exemple pour développer la meilleure méthodologie statistique pour l’analyse des défauts, ou pour analyser les résultats provenant d’une analyse chimique et comparer ces résultats avec des données de composition théorique.

« Aujourd’hui, au CEA, les scientifiques peuvent utiliser plusieurs outils différents pour visualiser leurs données, concevoir des expériences ou encore effectuer la préparation des données et l’analyse statistique. Mais je suis toujours très enthousiaste à l’idée d’essayer de les convaincre que tout cela peut être fait avec un seul logiciel. »

JMP^® est un outil d'analyse des données très complet

Perret a trouvé dans JMP ce logiciel unique. « Avec un même logiciel, je peux me connecter à notre base de données interne, extraire les données sélectionnées au moyen de filtres, combiner des tables de données, nettoyer mes données, les visualiser et les analyser à l'aide de puissantes techniques statistiques. » « Je suis un grand fan de la plateforme Graph Builder, ce que je n’ai jamais vu dans d’autres logiciels. Pour moi, cette plateforme est extrêmement innovante.

Perret explique que la plateforme Mixture Design, qui prend en charge les expériences de composés multifactoriels, est une autre fonctionnalité de JMP qu'il utilise presque tous les jours. En définissant un ensemble de contraintes d’inégalité linéaire, les chercheurs peuvent limiter la géométrie d’un espace de facteurs de mélange. Dans le cadre de ses travaux sur la vitrification, Perret explique que la plateforme Mixture Design « nous aide à définir les domaines de composition du verre et à construire des modèles prédictifs de composition des propriétés ». D’autres membres de l’équipe de Perret utilisent le codage JMP pour écrire leurs propres scripts. Avec le langage de script JSL de JMP, Perret affirme que les utilisateurs peuvent « presque tout faire ».

Une communauté d'utilisateurs JMP^® très dynamique encourage l'apprentissage statistique et le transfert de connaissances

Bien que Perret et nombre de ses collègues travaillent régulièrement avec JMP, il affirme qu'ils n'utilisent encore qu'une fraction des nombreuses applications du logiciel. Heureusement, un réseau actif d'utilisateurs de JMP à travers le monde contribue à partager les connaissances, permettant aux utilisateurs ayant moins de compétences statistiques comme Perret d'apprendre auprès de certains des plus grands statisticiens du monde. « Je suis à l’origine un chimiste sans formation en statistiques, mais j’ai développé une solide connaissance de base en statistiques simplement en utilisant JMP », explique Perret. « Bien sûr, le processus d’acquisition de connaissances est infini… mais nous disposons de la communauté d’utilisateurs et de développeurs JMP, ce qui est d’une grande aide pour progresser. »

Enfin, Perret cite l'engagement réflexif de l'équipe de développement de JMP : « On voit bien que l'objectif premier des développeurs de JMP est de faciliter la vie des utilisateurs en nous aidant à prendre les meilleures décisions lorsque nous faisons des statistiques avec JMP. » La réactivité du logiciel pour répondre à de nouveaux défis est l’une des principales raisons pour lesquelles les chercheurs comme Perret sont prêts à expérimenter de nouvelles méthodologies et de nouveaux processus. Par exemple, dit-il, « nous venons de démarrer un nouveau projet dans lequel nous recherchons des méthodes innovantes pour créer des modèles prédictifs encore plus puissants que ce que nous avons fait dans le passé. Cela implique la création d'une nouvelle base de données, de nouveaux types de modèles et de scripts. « Il s’agit d’un nouveau projet très ambitieux pour lequel nous prévoyons d’utiliser JMP. »

Le CEA tient à remercier ses partenaires Orano et EDF pour leur participation à ce projet.