Un matériau nouvellement développé engloutit l’hydrogène, le recrache et protège les parois du réacteur à fusion

Les ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont utilisé une technologie de revêtement par pulvérisation pour produire un nouveau matériau performant capable de résister aux conditions difficiles à l'intérieur d'un réacteur à fusion.

L'avancée, détaillée dans un article publié récemment dans la revue Physique Scriptapourrait permettre la création de réacteurs à fusion compacts plus efficaces, plus faciles à réparer et à entretenir.

“La communauté de la fusion recherche de toute urgence de nouvelles approches de fabrication pour produire de manière économique de gros composants face au plasma dans les réacteurs à fusion”, déclare Mykola Ialovega, chercheuse postdoctorale en génie nucléaire et en génie physique à l'UW-Madison et auteur principal de l'article. “Notre technologie présente des améliorations considérables par rapport aux approches actuelles. Avec cette recherche, nous sommes les premiers à démontrer les avantages de l'utilisation de la technologie de revêtement par pulvérisation à froid pour les applications de fusion.”

Les chercheurs ont utilisé un procédé de pulvérisation à froid pour déposer une couche de tantale, un métal capable de résister à des températures élevées, sur l'acier inoxydable. Ils ont testé leur revêtement de tantale projeté à froid dans les conditions extrêmes propres à un réacteur à fusion et ont constaté qu'il fonctionnait très bien. Plus important encore, ils ont découvert que le matériau est exceptionnellement efficace pour piéger les particules d’hydrogène, ce qui est bénéfique pour les dispositifs de fusion compacts.

“Nous avons découvert que le revêtement de tantale pulvérisé à froid absorbe beaucoup plus d'hydrogène que le tantale en vrac en raison de la microstructure unique du revêtement”, explique Kumar Sridharan, professeur de génie nucléaire, de génie physique et de science et ingénierie des matériaux. Au cours de la dernière décennie, le groupe de recherche de Sridharan a introduit la technologie de pulvérisation à froid dans la communauté de l'énergie nucléaire en la mettant en œuvre pour de multiples applications liées aux réacteurs à fission.

“La simplicité du processus de pulvérisation à froid le rend très pratique pour les applications”, explique Sridharan.

Dans les dispositifs de fusion, le plasma (un gaz hydrogène ionisé) est chauffé à des températures extrêmement élevées, et les noyaux atomiques du plasma entrent en collision et fusionnent. Ce processus de fusion produit de l'énergie. Cependant, certains ions hydrogène peuvent être neutralisés et s’échapper du plasma.

“Ces particules neutres d'hydrogène provoquent des pertes de puissance dans le plasma, ce qui rend très difficile le maintien d'un plasma chaud et la mise en place d'un petit réacteur à fusion efficace”, explique Ialovega, qui travaille dans le groupe de recherche d'Oliver Schmitz, professeur d'ingénierie nucléaire et physiques de l'ingenieur.

C'est pourquoi les chercheurs ont décidé de créer une nouvelle surface pour les parois des réacteurs faisant face au plasma, qui pourrait piéger les particules d'hydrogène lorsqu'elles entrent en collision avec les parois.

Le tantale est intrinsèquement efficace pour absorber l'hydrogène et les chercheurs soupçonnaient que la création d'un revêtement de tantale à l'aide d'un procédé de pulvérisation à froid augmenterait encore plus ses capacités de piégeage de l'hydrogène.

Créer un revêtement pulvérisé à froid revient un peu à utiliser une bombe de peinture en aérosol. Il consiste à propulser des particules du matériau de revêtement à des vitesses supersoniques sur une surface. Lors de l'impact, les particules s'aplatissent comme des crêpes et recouvrent toute la surface, tout en préservant les limites nanométriques entre les particules de revêtement. Les chercheurs ont découvert que ces minuscules limites facilitent le piégeage des particules d’hydrogène.

Ialovega a mené des expériences sur le matériau enduit dans les installations de l'Université d'Aix Marseille en France et du Forschungszentrum Jülich GmbH en Allemagne. Au cours de ces expériences, il a découvert que lorsqu’il chauffait le matériau à une température plus élevée, il expulsait les particules d’hydrogène piégées sans modifier les revêtements – un processus qui régénère essentiellement le matériau afin qu’il puisse être réutilisé.

“Un autre grand avantage de la méthode de pulvérisation à froid est qu'elle nous permet de réparer les composants du réacteur sur site en appliquant un nouveau revêtement”, explique Ialovega. “Actuellement, les composants endommagés du réacteur doivent souvent être retirés et remplacés par une pièce entièrement neuve, ce qui est coûteux et prend du temps.”

Les chercheurs prévoient d’utiliser leur nouveau matériau dans le miroir axisymétrique Wisconsin HTS (WHAM). Le dispositif expérimental est en construction près de Madison, dans le Wisconsin, et servira de prototype pour une future centrale à fusion de nouvelle génération que Realta Fusion, spin-off de UW-Madison, vise à développer. Installée au laboratoire des sciences physiques, l'expérience WHAM est un partenariat entre l'UW-Madison, le Massachusetts Institute of Technology et Commonwealth Fusion Systems.

“La création d'un composite métallique réfractaire présentant ces caractéristiques de gestion bien contrôlée de l'hydrogène, combinées à une résistance à l'érosion et à une résilience générale des matériaux, constitue une avancée majeure pour la conception de dispositifs à plasma et de systèmes d'énergie de fusion”, a déclaré Schmitz. “La perspective de changer d'alliage et d'inclure d'autres métaux réfractaires pour améliorer le composite pour les applications nucléaires est particulièrement intéressante.”