Depuis les années 70, les technologies de réalité virtuelle révolutionnent quotidiennement le monde réel et donnent lieu à des scénarios de films et séries de science-fiction toujours plus créatifs. Mais la réalité virtuelle trouve une résonance particulière lorsqu’elle est appliquée à un domaine industriel où l’erreur est proscrite… C’est le défi que relève le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives) grâce à la réalité virtuelle, dans un environnement difficile et hostile qui nécessite la conception d’installations très résistantes, où l’homme doit opérer en toute sécurité pour faire face à la complexité du milieu nucléaire.
Qu’il s’agisse de divertir, d’éduquer, de soigner ou de produire, la réalité virtuelle offre de multiples possibilités dans divers secteurs d’activité. L’industrie n’est pas en reste et tire profit de cette technologie qui permet de créer des environnements immersifs et interactifs. Grâce à la réalité virtuelle, les industriels peuvent simuler des scénarios réels ou fictifs qui présenteraient des difficultés, des coûts ou des risques importants dans le monde réel. La réalité virtuelle devient ainsi un outil de formation, de visite, de maintenance ou de démantèlement.
Dans le cas de l’industrie nucléaire, la réalité virtuelle peut servir, entre autres, à renforcer la performance et la sécurité. Cette technologie offre plusieurs avantages, car elle limite l’exposition aux rayonnements ionisants en réduisant ou en évitant les interventions humaines sur site (Ganier, 2018). Dans un second temps, elle optimise les coûts et les délais des projets nucléaires en facilitant la conception, la construction, l’exploitation et le démantèlement des installations. Enfin, elle améliore la qualité et la fiabilité des opérations en donnant une meilleure vision, une meilleure compréhension et une meilleure anticipation des situations (Galichet, 2021).
Le démantèlement nucléaire
Avec 56 réacteurs nucléaires de production d’électricité en fonctionnement et une vingtaine à l’arrêt, la France possède le plus grand parc électro-nucléaire d’Europe. Un défi se profile dès lors, car selon l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN), il faudra démanteler environ 200 installations nucléaires d’ici 2040, pour un coût estimé à près de 50 milliards d’euros. Pour comprendre un peu les enjeux liés au démantèlement nucléaire, il faut d’abord poser un rapide contexte. Actuellement, 36 installations sont en démantèlement sur 5 sites civils du CEA : Marcoule, Fontenay-aux-Roses, Cadarache et Grenoble. Ces opérations mobilisent environ 1200 salariés du CEA de façon directe ou indirecte, pour un budget d’environ 740 millions d’euros alloués annuellement par l’État français au démantèlement des installations et à la reprise des anciens déchets.
Le démantèlement nucléaire est une étape technique, mais aussi administrative, de la vie d’une INB (Installation Nucléaire de Base), qu’il s’agisse d’un réacteur, d’une usine de retraitement ou d’un laboratoire R&D (Recherche et Développement). C’est un processus complexe, coûteux, long et spécifique à chaque installation.
Il consiste à démonter les équipements et à évacuer les déchets radioactifs, afin de rendre le site apte à de nouveaux projets, tout en garantissant la sécurité des personnes et de l’environnement. Durant cette étape cruciale, il faut respecter des normes de sûreté et de radioprotection très strictes, tout en maîtrisant les risques liés aux opérations de découpe, de transport et de stockage des matériaux radioactifs. Pour cela, il faut également former et mobiliser des équipes qualifiées, capables de faire face à des situations complexes et variées. À cela, s’ajoute une difficulté supplémentaire, l’ancienneté des installations démantelées qui, pour certaines, ont été mises en service dans les années 1960. Par ailleurs, les évolutions réglementaires successives rendent inévitables les modifications de scénario de démantèlement, à plus forte raison pour des chantiers pouvant dépasser 30 ans ayant une composante de haute activité radiologique.
Les apports de la réalité virtuelle dans le démantèlement nucléaire
Ainsi, les apports de la réalité virtuelle sont variés. Elle permet, par exemple, de simuler le réel pour assurer la sécurité d’une activité. En effet, la réalité virtuelle peut reproduire fidèlement les installations nucléaires à démanteler, avec leurs caractéristiques géométriques, physiques et radiologiques. « Pouvoir visualiser en immersif une cellule à l’échelle 1, c’est vraiment un élément important qu’apporte la réalité virtuelle » affirme Vincent Perrot, ingénieur au LNPA. Ainsi, les opérateurs peuvent s’entraîner à effectuer les gestes techniques nécessaires au démantèlement dans un environnement virtuel, sans être exposés aux rayonnements.
La réalité virtuelle permet aussi de tester et de valider les scénarios de démantèlement, en évaluant leur faisabilité, leur efficacité et leur impact sur l’environnement, mais aussi en intégrant les contraintes physiques, radiologiques et réglementaires, pour tester et optimiser les procédures et les outils avant leur mise en œuvre réelle. Les enjeux sont vraiment de consolider ces scénarios en facilitant le travail collaboratif en se retrouvant tous autour d’une seule source d’information via les revues de projets en réalité virtuelle.
« Il ne faut pas que ce soit plus ou moins réaliste, il faut qu’elles le soient » poursuit l’ingénieur du CEA.
La réalité virtuelle permet ainsi de réduire les risques projets (délais et coûts), d’augmenter la sécurité et la sûreté des opérations. Tout en étant un formidable outil de communication qui démontre la validité des scénarios auprès de l’ASN.
La réalité virtuelle permet aussi de déterminer si le geste humain est possible, et dans le cas contraire mettre en place une éventuelle assistance robotique. La réalité virtuelle permet de mesurer les efforts et les déplacements des opérateurs, et ainsi identifier les zones difficiles d’accès ou les situations à risque (Ganier, 2018). Elle peut alors proposer des solutions adaptées, comme l’utilisation de robots ou de robots (robots collaboratifs assistant l’humain), qui peuvent être pilotés à distance ou en immersion grâce à la réalité virtuelle.
L’un des apports de la réalité virtuelle est la cartographie de la dosimétrie, c’est-à-dire la mesure de la dose de rayonnement reçue par les travailleurs. Grâce à des capteurs et des caméras, il est possible de modéliser en temps réel les sources de rayonnement et les zones à risques, « Des experts (CEA) mettent en œuvre des moyens de mesures nucléaires sur les chantiers de démantèlement afin de mesurer des alphas, des gammas, des neutrons, des bêtas, etc… » comme l’explique Vincent Perrot, responsable de la salle immersive Présage². Les opérateurs peuvent ainsi visualiser sur un casque ou un écran les niveaux de dose et adapter leur parcours et leur équipement en conséquence. La réalité virtuelle permet ainsi de réduire l’exposition aux rayonnements et d’optimiser la sécurité et l’efficacité des interventions.
Un des apports majeurs de la réalité virtuelle dans le démantèlement, est la formation et la sensibilisation des équipes à la future réalisation des opérations. Le démantèlement des INB est une opération complexe et risquée, qui nécessite une formation rigoureuse des opérateurs. Il s’agit de concevoir les futurs postes de travail en virtuel, et de réduire les risques liés à ces opérations, en mettant les opérateurs face à des situations qu’ils auront à traiter.
La salle immersive Prés@ge2
Depuis près d’une dizaine d’années, le CEA de Marcoule, dans le Gard, dispose d’une salle de réalité virtuelle qui permet d’interagir et d’utiliser cette maquette numérique : la Salle immersive Prés@ge².
Cette salle a elle aussi connu de nombreuses évolutions pour suivre les diverses avancés technologiques et numériques. Elle est composée d’une interface Bi-face 4K qui permet d’immerger visuellement les utilisateurs dans un environnement numérique. La salle Prés@ge2 dispose d’outils d’interactions avancés comme un bras à retour d’effort « on va être capable de toucher et de ressentir les efforts et donc de faire une opération qui serait impossible à faire sans retour d’effort » explique Vincent Perrot. « Par exemple, quand on va visser une vis, on va être capable de sentir le pas de vis ». Cette salle est également équipée de casques de réalité virtuelle et de dispositifs de réalité augmentée.
L’ensemble de ces dispositifs permettent d’interagir très précisément avec la maquette, que ce soit pour des simulations robotiques ou humaines.
Le tout est positionné pour être mis en œuvre dans le processus de réflexion et de conception d’un scénario de démantèlement. Une salle de réunion est accolée à la salle Prés@ge² permettant ainsi de faire le lien en le virtuel et le réel de la façon le plus fluide possible « on a des réunions directement dans la salle, et on fait des allers-retours entre la table de réunion et la maquette virtuelle » poursuit l’ingénieur.
Cette salle permet de simuler avec une grande précision et un haut niveau d’immersion les différentes étapes du démantèlement (assemblage, désassemblage, découpe/soudage, entrées et sorties de matériel) (Ganier, 2018). Grâce à deux bras équipé de retour d’effort, les utilisateurs peuvent ressentir les contraintes physiques liées aux interventions. Ainsi, ils peuvent anticiper les difficultés, réduire les risques et gagner en efficacité. La Salle immersive Prés@ge2 permet également de réaliser des formations interactives, des démonstrations techniques ou des visites virtuelles.
« L’expertise du CEA est dans l’intégration de ces équipements, pour les faire marcher ensemble », comme le précise Vincent Perrot. A ce titre, le CEA intervient dans le développement de logiciels connectés au réel. Parmi les objectifs la continuité numérique : toutes les données 3D issues d’un projet de démantèlement doivent être lues et intégrées dans une maquette 3D unique. La validité physique est un des autres objectifs : « en comparaison avec le jeu vidéo, nos simulations sont physiquement réalistes […] Il ne faut pas que ce soit plus ou moins réaliste, il faut qu’elles le soient » précise Vincent Perrot. S’ajoute à cela, une spécificité nucléaire. Le CEA dispose d’un code de calcul radiologique en temps réel qui permet de faire des études ALARA (As low as reasonable achievable – Acronyme définissant le principe de précaution : aussi bas que raisonnablement possible) et de faire des simulations afin de « prendre en compte les environnements radiologiques dans une intervention » ajoute l’expert. Enfin, la salle de réalité étant située à côté d’un hall d’essai équipé de robots, de télémanipulateurs et d’un laboratoire de mesures nucléaires qui viennent nourrir les simulations « c’est ce qui nous permet d’être physiquement réaliste » poursuit l’ingénieur.
« Pouvoir visualiser en immersif une cellule à l’échelle 1, c’est vraiment un élément important qu’apporte la réalité virtuelle »
Illustration des applications concrètes de la réalité virtuelle pour le démantèlement nucléaire à travers d’un exemple de scénario simulé par le CEA : Le chantier de démantèlement de l’usine UP1- MAR 200
Le LNPA est un laboratoire dont l’une des missions est de faire de la Recherche & Développement pour les chantiers de démantèlement. Ce laboratoire a été sollicité pour réaliser, sur la plateforme de réalité virtuelle PRES@GE2, un contrôle de second niveau sur la faisabilité des opérations de démantèlement des cuves de l’atelier de dissolution UP1. Il s’agit d’une usine qui a vu passer beaucoup de combustible irradié et qui présente de fort enjeux de contamination et de radiation, et dans laquelle chaque procédé à sa particularité.
Plusieurs besoins ont rapidement été exprimés pour ce chantier de démantèlement.
Le premier étant de créer une maquette numérique dès le début du projet pour permettre de réduire la quantité et la complexité du maquettage réel. Le second besoin était d’exploiter la maquette numérique pour définir et consolider des modes opératoires. Le troisième besoin était d’utiliser les maquettes pour réaliser des contrôles de second niveau : vérifier les cadences, les accessibilités, les faisabilités. Le dernier besoin était d’utiliser cette maquette numérique afin d’assurer la formation des opérateurs aux tâches les plus complexes.
C’est sur la plateforme de réalité virtuelle qu’a été vérifié l’accessibilité de l’intégralité de la boue présente dans les cuves de l’installation ainsi que les cadences de reprise estimées par l’ingénierie en charge du projet. Dans sa phase d’Avant-Projet Sommaire, le scénario de reprise des dépôts des cuves de MAR200 a été conçu autour de la téléopération d’un bras de type Python. Il a donc fallu, en amont, qualifier sa faisabilité.
C’est ainsi qu’une interface de contrôle/commande simulant le pilotage du bras téléopéré, des porteurs et des caméras a été réalisée, testée et consolidée expérimentalement sur la plate-forme robotique du LSTD (DE2D/SEAD).
L’étude de l’accessibilité de l’intégralité du fond de la cuve a permis de mettre en évidence des limitations du bras avec seulement 80 % de la surface des dépôts atteignable dans l’état actuel de sa conception.
Enfin, l’étude de productivité a permis de déterminer les contraintes réelles de pilotage des procédés de reprise (prise en compte des vitesses de déplacements, des contraintes de visibilité…). « Grâce à la réalité virtuelle, le scénario initial pourra ainsi être affiné » complète Vincent Perrot.
Les jumeaux numériques
Parmi, les différents programmes du CEA concernant les nouvelles technologies, le programme Simulation est dirigé par Xavier Raepsaet au CEA de Paris Saclay. « Ce programme comprend essentiellement le développement et la validation des codes, et les premiers protocoles de simulation qui peuvent être fait avec ces codes de calcul » détaille Xavier Raepsaet. « On produit ces logiciels qui sont soit utilisés par les industriels soit par le CEA lui-même. » poursuit cet expert.
« A partir du moment où nous avons fait des outils de simulation avec des équations et qui simulent le réel… nous étions déjà un peu sur la notion de jumeaux numérique » précise Xavier Raepsaet. « En fait ce qui est venu compléter cette dénomination de Jumeau Numérique, c’est surtout, je pense, qu’à la fois on avait les outils de simulation et à la fois on a la donnée de mesure. Et c’est l’exploitation des deux sur une installation qui fait qu’on arrivait à la notion de Jumeau Numérique ».
Avec le jumeaux numériques (JN), l’idée est de pouvoir exploiter en ligne les données de mesure, et ainsi pouvoir prédire, à court terme, ce qui va se passer connaissant l’état des lieux à un instant T.
L’intégration du numérique dans les projets de démantèlement d’installations nucléaires passe aujourd’hui également par JN. « L’idée est désormais de concevoir, exploiter, maintenir et déconstruire à l’aide des jumeaux numériques, c’est-à-dire un ensemble de programmes informatiques interconnectés modélisant une infrastructure – une centrale nucléaire par exemple – et son comportement sur l’ensemble de son cycle de vie » (Galichet, 2021).
Concernant le démantèlement nucléaire, le jumeau numérique permet d’optimiser et de sécuriser les opérations. Les équipes projet peuvent ainsi, grâce à la réalité virtuelle, optimiser les scénarios. En se formant sur les outils développés à l’ISEC (Institut des Sciences et des Technologies pour une Économie circulaire des énergies bas carbone), les équipes des exploitants peuvent diminuer la dosimétrie reçue lors des opérations ou encore valider les accessibilités des moyens robotisés utilisés.
De plus, un JN permet de répliquer des plateformes industrielles réelles pour former des individus à des opérations de maintenance ou d’assemblage via la réalité augmentée, en coopération avec des robots virtuels. Ces JN peuvent être aussi utilisés dans la phase de déploiement et de mise en route d’un système de production.
Les limites….
Les apports de la réalité virtuelle dans le cas des projets démantèlements dans l’industrie nucléaire sont multiples. Mais pour autant, les points de vigilance demeurent.
« La RV va être capable de simuler des scénarios très en amont, et dire qu’on a identifié les risques, mais certaines simulations ne sont pas possibles, notamment la simulation des fluides ou des flux… le maquettage réel est la seule solution », conclut Vincent Perrot.
De plus, le processus de mise à jour de la maquette 3D des chantiers gagnerait à être amélioré et fluidifié. Aujourd’hui on perd cette mise à jour une fois le chantier démarré et durant tout le chantier, pour la retrouver à la fin du chantier.
Et enfin, le coût élevé des simulations et le temps qu’elles demandent en termes de réalisation, bien qu’il se soit considérablement réduit, empêchent la simulation complète d’un scénario de démantèlement. « Il y a encore quelques années, on pouvait mettre 6 ou 7 mois à faire une simulation, aujourd’hui si les modèles 3D sont fournis, nous sommes capables de faire cela en quelques semaines » précise l’ingénieur.
Les évolutions possibles…
Les enjeux de la continuité numérique ne sont pas que français mais aussi mondiaux. Dans ce cadre, le CEA coordonne un projet européen nommé PLEIADES qui regroupe 14 partenaires sur 7 pays différents. Le but de ce projet est de développer une interopérabilité entre différents logiciels et outils, via une plateforme commune et formelle, avec une ontologie commune sur les projets de démantèlement.
L’idée est de fournir à ces différents logiciels, qui vont de l’étude de coût à des outils de réalité virtuelle et réalité augmentée, une utilisation la plus fluide possible de la maquette numérique sans être obligé, à chaque changement de logiciel, d’avoir un long de maquettage.
De plus, la création des simulations est essentiellement faite par les informaticiens, mais on travaille aujourd’hui sur l’utilisation de l’Intelligence Artificielle pour améliorer et faciliter la création des simulations.
« Par exemple, une IA à laquelle on demanderait de créer une simulation ou le scénario optimal, à partir de certaines données. »
Bibliographie
Galichet, E. (2021, décembre 22). Réalité virtuelle : Comment l’industrie nucléaire se modernise. The Conversation. http://theconversation.com/realite-virtuelle-comment-lindustrie-nucleaire-se-modernise-172882
Ganier, A. (2018). Le nucléaire en mode réalité virtuelle, Les défis du CEA n°228.