Création de boucles de lithium liquide pour le contrôle de la température de fusion

Les réacteurs à fusion présentent un problème de taille : le plasma qu’ils contiennent doit être suffisamment chaud pour générer de l’énergie nette, mais s’il est trop chaud, il peut endommager l’intérieur du réacteur. Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) étudient des moyens d’évacuer l’excès de chaleur, notamment plusieurs méthodes utilisant du métal liquide.

Selon les chercheurs du laboratoire du département américain de l’énergie, une possibilité consisterait à faire circuler du lithium liquide de haut en bas sur une série de lattes dans des tuiles qui tapissent le fond du récipient. Le métal liquide pourrait également aider à protéger les composants qui font face au plasma contre un bombardement de particules appelées neutrons.

« L’option dominante pour un réacteur de fusion commercial économique est une conception compacte », a déclaré Egemen Kolemen du PPPL, co-auteur d’un article de 2022 sur la recherche et professeur associé de génie mécanique et aérospatial au Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement. Cependant, la compacité rend la gestion du flux de chaleur et du bombardement de neutrons plus difficile.

« Il n’existe actuellement aucun matériau solide capable de supporter ces charges. Les métaux liquides fluides ont le potentiel de résoudre ces problèmes de matériaux. »

Le métal liquide ne serait exposé directement à la chaleur du plasma que très brièvement, en parcourant le bord supérieur d’une fine lamelle, entraîné par des forces magnétiques et un courant électrique. Ensuite, le métal coulerait dans un canal créé par l’espace entre deux lamelles. Au fur et à mesure que le métal liquide descend vers le bas du dispositif, appelé divertorlet, le liquide refroidirait. Finalement, le métal liquide remonterait jusqu’au sommet d’une lamelle, accumulerait de la chaleur et retomberait.

Les boucles d’écoulement minimisent la perte de métal liquide par évaporation

Les expériences sur ce prototype de système de refroidissement ont été concluantes et les résultats concordent avec ceux obtenus lors des simulations. « Nous avons pu reproduire les boucles d’écoulement autour des lamelles, ce qui est en quelque sorte le principe de fonctionnement du mécanisme », a déclaré Francisco Saenz, étudiant diplômé au département de génie mécanique et aérospatial de Princeton et co-auteur de l’article sur les divertorlets.

« Dans le système que nous proposons, le métal liquide se réchauffe à la surface supérieure, mais il est presque immédiatement déplacé par le métal liquide froid qui monte à la surface supérieure pour continuer à absorber la chaleur », a déclaré Saenz.

À chaque montée et descente autour d’une lame, le liquide se réchauffe et est remplacé par du métal liquide frais. Cependant, la surchauffe du métal liquide est minimisée car il n’est exposé à la chaleur que pendant son court trajet au-dessus du divertorlet. Les conceptions antérieures de systèmes similaires à métal liquide, connus sous le nom de divertors, impliquaient que le métal liquide s’écoule directement devant le plasma pendant une période de temps plus longue, ce qui aurait probablement entraîné une surchauffe et une plus grande évaporation.

Le lithium qui pénètre dans le plasma par évaporation pourrait également être bénéfique ; d’après les recherches antérieures du PPPL, il devrait aider le plasma à rester à des températures élevées et à être gérable.

« Le lithium réduit le recyclage des particules d’hydrogène. Par recyclage, je veux dire que certains atomes du plasma quittent le noyau, vont vers les parois et rebondissent vers le plasma », explique Saenz. Les isotopes qui rebondissent ont une température considérablement réduite, ce qui finit par refroidir la température du plasma. « Mais si votre système faisant face au plasma est fait de lithium, il absorbe et retient les particules qui entrent en collision avec les parois, de sorte que votre plasma ne refroidit plus à un rythme rapide. »

Les chercheurs ont utilisé du galinstan, un mélange de gallium, d’indium et d’étain, à la place du lithium dans leurs expériences. « La conductivité électrique d’un métal liquide est l’une des propriétés déterminantes des écoulements sous l’influence de champs magnétiques puissants, comme ceux que l’on trouve dans un récipient de fusion. Le galinstan a une conductivité électrique assez similaire à celle du lithium liquide », a déclaré Saenz, ce qui leur permet d’analyser les écoulements de lithium dans différents scénarios.

La quantité de courant appliquée au liquide a été augmentée par étapes pour voir comment cela affecterait la vitesse et l’uniformité du flux. Saenz a déclaré que l’équipe de recherche a atteint la vitesse cible sans que le métal liquide n’éclabousse. Plus un métal liquide coule vite, plus une force spécifique agit sur lui. Cette force, connue sous le nom de traînée magnétohydrodynamique, ralentit le flux.

Heureusement, leurs résultats expérimentaux concordaient avec ce qu’ils avaient observé dans les simulations, et les chercheurs ont pu faire couler le liquide en dessous de la limite de vitesse de 1 mètre par seconde qu’ils avaient fixée, en utilisant efficacement 900 ampères de courant électrique. Le divertorlet idéal devrait non seulement évacuer la chaleur, a déclaré Saenz, mais le faire sans nécessiter une quantité excessive d’énergie pour maintenir le liquide en circulation.

Brian Wynne, étudiant diplômé de l’Université de Princeton, qui a également travaillé sur le projet de divertorlets, attend avec impatience les prochaines itérations du prototype. « Il reste encore du travail à faire », a déclaré Wynne. « Nous devons optimiser la structure de la géométrie elle-même en termes de forme des lames. »

Cela pourrait impliquer de réduire la largeur de chaque lame et d’arrondir les bords pour réduire les pics et les vallées observés dans le fluide. Le pic d’une onde peut bloquer le transfert de chaleur vers une vallée adjacente, donc la création d’une surface lisse devrait augmenter l’absorption de chaleur du plasma vers le liquide.

Selon Wynne, le prochain prototype pourrait également passer des lamelles de cuivre au tungstène imprimé en 3D. Ce métal très résistant est considéré comme bien adapté aux composants orientés vers le plasma en général, il pourrait donc être judicieux de l’utiliser pour les divertorlets, a-t-il déclaré. Les futurs prototypes étudieront également les systèmes permettant au lithium de circuler dans et hors du divertorlet. Le prototype actuel du divertorlet est un système fermé, ce qui signifie qu’aucun lithium liquide n’a été retiré ou ajouté pendant l’application du courant.