Les ingénieurs de l’Université du Wisconsin-Madison ont développé un matériau performant à base de tantale, capable de résister aux conditions difficiles à l’intérieur d’un réacteur à fusion.
Dans un article publié dans la revue Physique Scriptales chercheurs expliquent que leur solution pourrait permettre de produire des 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 grands composants orientés vers le plasma dans les réacteurs à fusion », a déclaré Mykola Ialovega, chercheur postdoctoral en génie nucléaire et auteur principal de l’article, dans un communiqué aux médias. « 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.
Dans le détail, Ialovega et son équipe 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 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 », a déclaré Kumar Sridharan, auteur principal de l’étude.
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 », a déclaré 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 disponibilité d’un petit réacteur à fusion efficace », a déclaré Ialovega.
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 à la rescousse
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 place en appliquant un nouveau revêtement », a souligné 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 la ville de Madison et servira de prototype pour une future centrale à fusion de nouvelle génération que Realta Fusion, spin-off de UW-Madison, vise à développer.
