Un nouveau laboratoire commun dédié à la métallurgie pour le nucléaire
Lors du salon Vivatech qui s’est déroulé en juin dernier, le CNRS, l’Université de Lorraine et le géant du nucléaire Framatome ont inauguré le laboratoire commun SISLAB. Il réunit cinq chercheurs permanents de l’Institut Jean Lamour et plusieurs scientifiques de chez Framatome, afin d’étudié la présence de défauts structurels dans les matériaux pendant la fonte et la solidification de gigantesques lingots d’acier utilisés dans l’élaboration de matériaux du domaine du nucléaire.
La construction de centrales nucléaires demande de couler des pièces à partir de lingots d’acier de plusieurs centaines de tonnes, par exemple pour former les cuves des réacteurs. Un procédé industriel complexe au cours duquel il faut limiter au maximum l’apparition de défauts qui pourraient fragiliser et raccourcir la durée de vie des pièces.
Miha Založnik, directeur de recherche à l’Institut Jean Lamour (IJL, CNRS/Université de Lorraine), travaille justement dans une équipe dédiée à l’étude de la solidification des alliages métalliques. En plus de ses expériences, il utilise et développe des outils de modélisation pour décrire les changements de phase, les mouvements du liquide et de ses cristaux…
« Nous nous intéressons aux phénomènes physico-chimiques à l’origine des défauts, pour obtenir des matériaux mieux structurés, explique Miha Založnik. Nous regardons ce qu’il se passe lors de la solidification, une des premières étapes de la fabrication, suivie par la forge, le laminage, l’extrusion… Il est difficile d’acquérir une matière homogène à l’échelle de lingots de deux cents tonnes et nous voulons minimiser ces variations. Nous observons pourtant ce qu’il se produit à petite échelle, car c’est ce qui contrôle les phénomènes à plus grande échelle. »
L’équipe de Miha Založnik étudie donc la microstructure des alliages, allant de cristaux individuels pouvant atteindre quelques centimètres à plusieurs mètres. Elle déploie pour cela des techniques expérimentales d’analyse chimique propres à chaque échelle. Une expertise que Framatome, un des leaders mondiaux notamment pour la conception de réacteurs nucléaires, est venu chercher à l’IJL dès 2012.
Cette collaboration fructueuse ouvre un nouveau chapitre avec la création du laboratoire commun SISLAB, entre le CNRS, l’Université de Lorraine et Framatome. Il a été inauguré lors du salon VivaTech, qui s’est tenu du mercredi 17 juin au samedi 20 juin 2026, bien que le contrat cadre ait été signé dès 2025. Six chercheurs permanents de l’IJL et plusieursspécialistes de chez Framatome seront ainsi impliqués sur cinq ans, avec notamment l’encadrement de trois thèses CIFRE.
« Ce labcom a pour spécificité de s’intéresser aux alliages à une nouvelle échelle, décrit Miha Založnik. On connaît plutôt bien l’échelle macroscopique et ses variations chimiques, ainsi que l’échelle microscopique grâce aux méthodes de caractérisations expérimentales. Ce qui nous manque c’est ce qu’il se passe entre les deux, là où ont lieu les hétérogénéités et où se retrouvent les grains cristallins d’environ un centimètre. »
C’est en effet à ce niveau que se produisent les phénomènes qui, lors de la solidification de l’alliage, provoquent les variations de chimie à l’échelle de plusieurs tailles de grains. Leur caractérisation se fait sur des échantillons de dix centimètres sur dix et à l’aide de techniques de pointe comme la microfluorescence X.
« Dans le cadre de SISLAB, nous voulons développer un modèle permettant de traiter de cette échelle-là dans les conditions du véritable procédé industriel de fonte et de solidification, poursuit Miha Založnik. Notre dispositif de laboratoire doit reproduire cela de manière contrôlée et à l’échelle d’un lingot de trois kilos, sachant qu’en comparaison la solidification d’un lingot de deux cents tonnes prend plusieurs dizaines d’heures. Je trouve particulièrement intéressante cette synergie entre recherche fondamentale et des questions industrielles. »
« La création de ce labcom s’intègre dans une relation de long terme avec le CNRS, décrit François Roch, expert métallurgiste à Framatome. Nous en avons déjà monté un en 2023 avec l’Université Aix-Marseille et l’Institut matériaux microélectronique nanosciences de Provence1, ainsi que cette année la chaire SIRA (Ségrégation intergranulaire et propriétés de rupture des aciers faiblement alliés) avec EDF, les Mines Saint-Étienne et le CNRS via le Laboratoire Georges Friedel2. Le secteur nucléaire est très actif et, en ce moment, on retrouve beaucoup de sujets à traiter relatifs à la fabrication et au vieillissement des matériaux. L’extension de la durée de vie du parc nucléaire français ne se fera pas sans la démonstration que les propriétés de ses composantes sont compatibles avec les attentes du pays. »
© Lucie Gutman, thèse Université de Lorraine, Institut Jean Lamour, 2024
Le but ultime est d’obtenir la carte des macroségrégations et mésoségrégations dans le lingot afin de s’assurer que, une fois solidifié, l’acier soit le plus homogène possible. Les vrais lingots, allant jusqu’à 260 tonnes, sont quant à eux fabriqués au Creusot par ArcelorMittal. SISLAB permettra l’accès à des équipements de Framatome et de l’IJL, avec la formation nécessaire. « Les dispositifs du laboratoire mettent en œuvre de l’acier liquide et le solidifient, précise François Roch. Nous ne savons pas encore manipuler expérimentalement des échantillons de cent grammes à quelques kilos, tout en restant représentatifs d’un lingot de deux cents tonnes. C’est ce que nous allons faire grâce à SISLAB. »