Un réacteur à fusion est essentiellement une bouteille magnétique contenant les mêmes processus qui se produisent au soleil. Les combustibles deutérium et tritium fusionnent pour former une vapeur d'ions d'hélium, de neutrons et de chaleur. Lorsque ce gaz chaud et ionisé, appelé plasma, brûle, cette chaleur est transférée à l'eau pour produire de la vapeur qui fait tourner les turbines qui produisent de l'électricité. Le plasma surchauffé constitue une menace constante pour la paroi du réacteur et le divertor (qui élimine les déchets du réacteur en fonctionnement pour maintenir le plasma suffisamment chaud pour brûler).

"Nous essayons de déterminer le comportement fondamental des matériaux confrontés au plasma dans le but de mieux comprendre les mécanismes de dégradation afin de pouvoir concevoir de nouveaux matériaux robustes", a déclaré Chad Parish, scientifique en matériaux, du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Il est l'auteur principal d'une étude dans la revueRapports scientifiquesqui a exploré la dégradation du tungstène dans des conditions pertinentes pour le réacteur.

Étant donné que le tungstène possède le point de fusion le plus élevé de tous les métaux, il constitue un candidat idéal pour les matériaux exposés au plasma. Cependant, en raison de sa fragilité, une centrale électrique commerciale serait plus probablement constituée d’un alliage ou d’un composite de tungstène. Quoi qu’il en soit, découvrir comment le bombardement atomique énergétique affecte le tungstène au microscope aide les ingénieurs à améliorer les matériaux nucléaires.

"À l'intérieur d'une centrale à fusion se trouve l'environnement le plus brutal pour lequel les ingénieurs aient jamais été invités à concevoir des matériaux", a déclaré Parish. "C'est pire que l'intérieur d'un moteur à réaction."

Les chercheurs étudient l’interaction du plasma et des composants de la machine pour fabriquer des matériaux parfaitement adaptés à des conditions de fonctionnement aussi difficiles. La fiabilité des matériaux est un problème clé avec les technologies nucléaires actuelles et nouvelles, qui a un impact significatif sur les coûts de construction et d'exploitation des centrales électriques. Il est donc essentiel de concevoir des matériaux garantissant leur robustesse sur de longs cycles de vie.

Pour la présente étude, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont bombardé du tungstène avec du plasma d’hélium à basse énergie, imitant un réacteur à fusion dans des conditions normales. Pendant ce temps, des chercheurs de l'ORNL ont utilisé le centre de recherche sur les ions multichargés pour attaquer le tungstène avec des ions d'hélium à haute énergie imitant des conditions rares, telles qu'une perturbation du plasma susceptible de déposer une quantité d'énergie anormalement importante.

En utilisant la microscopie électronique à transmission, la microscopie électronique à transmission à balayage, la microscopie électronique à balayage et la nanocristallographie électronique, les scientifiques ont caractérisé l'évolution des bulles dans le cristal de tungstène ainsi que la forme et la croissance de structures appelées « vrilles » dans des conditions de faible et de haute énergie. Ils ont envoyé les échantillons à une société appelée AppFive pour la diffraction électronique à précession, une technique avancée de cristallographie électronique, afin de déduire des mécanismes de croissance dans différentes conditions.

Depuis quelques années, les scientifiques savent que le tungstène réagit au plasma en formant des vrilles cristallines à l'échelle du milliardième de mètre, ou nanomètre, une sorte de minuscule pelouse. La présente étude a découvert que les vrilles produites par un bombardement à faible énergie avaient une croissance plus lente, étaient plus fines et plus lisses (formant un tapis de duvet plus dense) que celles créées par un assaut à plus haute énergie.

Dans les métaux, les atomes adoptent un arrangement structurel ordonné avec des espaces définis entre eux. Si un atome est déplacé, un site vide, ou « vacance », reste. Si le rayonnement, comme une boule de billard, fait tomber un atome de son emplacement et laisse un espace libre, cet atome doit aller quelque part. Il s'entasse entre les autres atomes du cristal, devenant ainsi un interstitiel.

Le fonctionnement normal du réacteur à fusion expose le divertor à un flux élevé d'atomes d'hélium de très faible énergie. "Un ion d'hélium ne frappe pas assez fort pour provoquer la collision d'une boule de billard, il doit donc se faufiler dans le réseau pour commencer à former des bulles ou d'autres défauts", a expliqué Parish.

Des théoriciens comme Brian Wirth, président du gouverneur de l'UT-ORNL, ont modélisé le système et pensent que le matériau qui est déplacé du réseau lorsque des bulles se forment devient les éléments constitutifs des vrilles. Les atomes d'hélium errent au hasard dans le réseau, a déclaré Parish. Ils se heurtent à d’autres héliums et unissent leurs forces. Finalement, l'amas est suffisamment grand pour faire tomber un atome de tungstène de son site.

« Chaque fois que la bulle grandit, elle repousse quelques atomes de tungstène supplémentaires hors de leurs sites, et ils doivent aller quelque part. Ils vont être attirés par la surface », a déclaré Parish. "C'est, selon nous, le mécanisme par lequel se forme ce nanofuzz."

Les informaticiens exécutent des simulations sur des superordinateurs pour étudier les matériaux à leur niveau atomique, ou à des échelles de temps nanométriques et nanosecondes. Les ingénieurs explorent comment les matériaux se fragilisent, se fissurent et se comportent autrement après une longue exposition au plasma, sur des échelles de temps de quelques centimètres et d'heures. "Mais il y avait peu de données scientifiques entre les deux", a déclaré Parish, dont l'expérience a comblé ce manque de connaissances pour étudier les premiers signes de dégradation des matériaux et les premiers stades de croissance des nanotendrilles.

Alors, le fuzz est-il bon ou mauvais ? "Le duvet est susceptible d'avoir des propriétés à la fois néfastes et bénéfiques, mais tant que nous n'en saurons pas plus à son sujet, nous ne pouvons pas concevoir de matériaux pour essayer d'éliminer les mauvais tout en accentuant les bons", a déclaré Parish. Du côté positif, le tungstène flou pourrait supporter des charges thermiques qui fissureraient le tungstène en vrac, et l'érosion est 10 fois moindre dans le tungstène flou que dans le tungstène en vrac. Du côté négatif, les nanovrilles peuvent se briser, formant une poussière qui peut refroidir le plasma. Le prochain objectif des scientifiques est d'apprendre comment le matériau évolue et avec quelle facilité il est possible de détacher les nanovrilles de la surface.

Les partenaires de l'ORNL ont publié récemment des expériences de microscopie électronique à balayage qui éclairent le comportement du tungstène. Une étude a montré que la croissance des vrilles ne se déroulait dans aucune orientation privilégiée. Une autre enquête a révélé que la réponse du tungstène face au plasma au flux d'atomes d'hélium a évolué de nanofuzz ​​uniquement (à faible flux) à nanofuzz ​​plus bulles (à flux élevé).

Le titre de l’article actuel est « Morphologies de nanotendrilles de tungstène cultivées sous exposition à l’hélium ».