Le tungstène est particulièrement adapté comme matériau pour les parties fortement sollicitées du récipient renfermant un plasma de fusion chaude, car il s'agit du métal ayant le point de fusion le plus élevé. Un inconvénient, cependant, est sa fragilité, qui, sous contrainte, le rend fragile et sujet aux dommages. Un nouveau matériau composé plus résistant a été développé par l'Institut Max Planck de physique des plasmas (IPP) à Garching. Il se compose de tungstène homogène avec des fils de tungstène enduits incorporés. Une étude de faisabilité vient de démontrer l'adéquation fondamentale du nouveau composé.

L'objectif des recherches menées à l'IPP est de développer une centrale électrique qui, comme le soleil, tire son énergie de la fusion de noyaux atomiques. Le combustible utilisé est un plasma d'hydrogène de faible densité. Pour allumer le feu de fusion, le plasma doit être confiné dans des champs magnétiques et chauffé à une température élevée. Au cœur, 100 millions de degrés sont atteints. Le tungstène est un métal très prometteur comme matériau pour les composants entrant en contact direct avec le plasma chaud. Cela a été démontré par des enquêtes approfondies à l’IPP. Cependant, un problème jusqu'à présent non résolu est la fragilité du matériau : le tungstène perd sa ténacité dans les conditions des centrales électriques. Les contraintes locales – tension, étirement ou pression – ne peuvent pas être évitées par un léger cèdement du matériau. Des fissures se forment : les composants réagissent donc de manière très sensible aux surcharges locales.

C'est pourquoi l'IPP a recherché des structures capables de répartir les tensions locales. Les céramiques renforcées par des fibres ont servi de modèles : par exemple, le carbure de silicium fragile est rendu cinq fois plus résistant lorsqu'il est renforcé par des fibres de carbure de silicium. Après quelques études préliminaires, Johann Riesch, scientifique de l'IPP, devait étudier si un traitement similaire pouvait fonctionner avec le tungstène métallique.

La première étape consistait à produire le nouveau matériel. Une matrice de tungstène devait être renforcée avec de longues fibres enduites constituées de fil de tungstène extrudé aussi fin qu'un cheveu. Les fils, initialement destinés à servir de filaments lumineux pour ampoules, ont été fournis par Osram GmbH. Divers matériaux permettant de les recouvrir ont été étudiés à l'IPP, notamment l'oxyde d'erbium. Les fibres de tungstène entièrement recouvertes ont ensuite été regroupées, soit parallèlement, soit tressées. Pour combler les espaces entre les fils avec du tungstène, Johann Riesch et ses collègues ont ensuite développé un nouveau procédé en collaboration avec le partenaire industriel anglais Archer Technicoat Ltd. Alors que les pièces en tungstène sont généralement pressées ensemble à partir de poudre métallique à haute température et pression, un plus Une méthode douce de production du composé a été trouvée : le tungstène est déposé sur les fils à partir d'un mélange gazeux en appliquant un procédé chimique à des températures modérées. C'était la première fois que du tungstène renforcé de fibres de tungstène était produit avec succès, avec le résultat souhaité : après les premiers tests, la ténacité du nouveau composé avait déjà triplé par rapport au tungstène sans fibres.

La deuxième étape consistait à étudier comment cela fonctionne : le facteur décisif s'est avéré être que les fibres comblent les fissures dans la matrice et peuvent distribuer l'énergie agissant localement dans le matériau. Ici, les interfaces entre les fibres et la matrice en tungstène doivent, d'une part, être suffisamment faibles pour céder lorsque des fissures se forment et, d'autre part, être suffisamment solides pour transmettre la force entre les fibres et la matrice. Lors d'essais de flexion, cela a pu être observé directement au moyen de la microtomographie à rayons X. Cela a démontré le fonctionnement de base du matériau.

Toutefois, ce qui est décisif pour l'utilité du matériau, c'est que la ténacité accrue soit maintenue lors de son application. Johann Riesch l'a vérifié en analysant des échantillons fragilisés par un traitement thermique préalable. Lorsque les échantillons ont été soumis à un rayonnement synchrotron ou au microscope électronique, leur étirement et leur courbure ont également confirmé dans ce cas les propriétés améliorées du matériau : si la matrice se brise sous l'effet d'une contrainte, les fibres sont capables de combler les fissures qui se produisent et de les endiguer.

Les principes de compréhension et de production du nouveau matériau sont ainsi posés. Les échantillons doivent désormais être produits dans des conditions de processus améliorées et avec des interfaces optimisées, condition préalable à une production à grande échelle. Le nouveau matériau pourrait également présenter un intérêt au-delà du domaine de la recherche sur la fusion.