L'intérieur d'un réacteur à fusion est un lieu de violence et de chaos. Un nouveau revêtement pulvérisé à froid absorbe la chaleur tout en piégeant certaines des particules d'hydrogène indisciplinées, ce qui pourrait permettre d'obtenir des chambres à plasma plus petites et de meilleure qualité. Alors que l'énergie de fusion en est encore au stade expérimental, le lancement ce mois-ci au Japon du réacteur à fusion tokamak le plus grand et le plus avancé au monde montre que la technologie passe de la théorie à la réalité.
Dans une réaction de fusion, l’hydrogène gazeux ionisé, appelé plasma, est soumis à une pression et à une chaleur équivalentes à la pression et à la chaleur au centre du soleil. Cela entraînerait la fonte des noyaux atomiques et libérerait d’énormes quantités d’énergie propre.
La création de chambres contenant le plasma nécessaire à la fusion nucléaire a été un défi en raison des niveaux de chaleur et de pression extrêmement élevés requis. Un autre problème du processus est que parfois des atomes d'hydrogène sont neutralisés et s'échappent du plasma, affaiblissant ainsi l'énergie du plasma.
"Ces particules neutres d'hydrogène provoquent des pertes d'énergie 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", a déclaré Mykola Ialovega, chercheur postdoctoral en génie nucléaire et en génie physique à l'UW-Madison. Ialovega mène des recherches sur un revêtement qui a démontré sa capacité à faire passer des fils à l'intérieur des cavités des réacteurs à fusion et à capturer cet hydrogène indiscipliné.
Le revêtement est constitué de tantale métallique et peut résister à des températures extrêmement élevées. Le tantale est pulvérisé à froid sur l'acier inoxydable et fonctionne exceptionnellement bien dans des conditions similaires à la fusion nucléaire.
Pendant le processus de pulvérisation à froid, des particules de tantale sont pulvérisées sur l'acier inoxydable et aplaties comme des crêpes. Les chercheurs ont découvert que même lorsqu’elles sont comprimées de cette manière, il existe toujours une petite frontière entre chaque particule, ce qui constitue un canal idéal pour piéger les particules d’hydrogène instables. Lorsque l’acier pulvérisé est exposé à des températures plus élevées, les particules d’hydrogène piégées sont libérées, renouvelant essentiellement le matériau afin qu’il puisse être réutilisé.
L’équipe a loué le revêtement non seulement pour sa capacité à capturer et libérer de l’hydrogène de manière répétée tout en résistant à des températures et des pressions élevées, mais également pour sa facilité d’utilisation.
"Un autre grand avantage de la méthode de pulvérisation à froid est qu'elle nous permet de réparer les pièces du réacteur en appliquant de nouveaux revêtements sur site. Actuellement, les pièces endommagées du réacteur doivent souvent être démontées et remplacées par des pièces entièrement neuves, ce qui est coûteux et prend du temps", a déclaré Ialovega.
L'équipe prévoit d'utiliser le revêtement sur le miroir axisymétrique Wisconsin HTS (WHAM), un dispositif expérimental qui pourrait potentiellement être utilisé dans une centrale à fusion de nouvelle génération prévue par RealtaFusion, une spin-out de l'UW-Madison.
Oliver Schmitz a déclaré : « La création d'un composite métallique réfractaire doté de bonnes propriétés de manipulation de l'hydrogène, de résistance à la corrosion et d'élasticité générale du matériau constitue une avancée majeure pour la conception de dispositifs à plasma et de systèmes d'énergie de fusion. Changer l'alliage et ajouter d'autres métaux réfractaires pour améliorer le matériau composite est particulièrement intéressant pour les applications nucléaires. »
Schmitz, professeur de génie nucléaire et de génie physique à l'UW-Madison, est co-auteur d'un article décrivant les résultats, publié dans la revue PhysicaScripta.