L’intérieur des futurs réacteurs nucléaires à fusion nucléaire sera l’un des environnements les plus difficiles jamais produits sur Terre. Qu'est-ce qui est suffisamment solide pour protéger l'intérieur d'un réacteur à fusion des flux de chaleur produits par le plasma, semblables à ceux des navettes spatiales rentrant dans l'atmosphère terrestre ?

Les chercheurs de l'ORNL ont utilisé du tungstène naturel (jaune) et du tungstène enrichi (orange) pour retracer l'érosion, le transport et la redéposition du tungstène. Le tungstène est la principale option pour blinder l’intérieur d’un appareil à fusion.

Zeke Unterberg et son équipe du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie travaillent actuellement avec le principal candidat : ​​le tungstène, qui possède le point de fusion le plus élevé et la pression de vapeur la plus basse de tous les métaux du tableau périodique, ainsi qu'une très haute résistance à la traction. propriétés qui le rendent bien adapté pour subir des abus pendant de longues périodes. Ils cherchent à comprendre comment le tungstène fonctionnerait à l'intérieur d'un réacteur à fusion, un dispositif qui chauffe les atomes légers à des températures plus élevées que le noyau du soleil afin qu'ils fusionnent et libèrent de l'énergie. L'hydrogène gazeux dans un réacteur à fusion est converti en plasma d'hydrogène (un état de la matière constitué de gaz partiellement ionisé) qui est ensuite confiné dans une petite région par de puissants champs magnétiques ou lasers.

"Vous ne voulez pas mettre quelque chose dans votre réacteur qui ne dure que quelques jours", a déclaré Unterberg, chercheur scientifique principal à la division Fusion Energy de l'ORNL. « Vous voulez avoir une durée de vie suffisante. Nous mettons du tungstène dans les zones où nous prévoyons qu’il y aura un bombardement de plasma très intense. »

En 2016, Unterberg et l'équipe ont commencé à mener des expériences sur le tokamak, un réacteur à fusion qui utilise des champs magnétiques pour contenir un anneau de plasma, au DIII-D National Fusion Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science à San Diego. Ils voulaient savoir si le tungstène pouvait être utilisé pour blinder la chambre à vide du tokamak, la protégeant ainsi de la destruction rapide provoquée par les effets du plasma, sans contaminer fortement le plasma lui-même. Cette contamination, si elle n’est pas suffisamment gérée, pourrait à terme éteindre la réaction de fusion.

"Nous essayions de déterminer quelles zones de la chambre seraient particulièrement mauvaises : là où le tungstène était le plus susceptible de générer des impuretés susceptibles de contaminer le plasma", a déclaré Unterberg.

Pour découvrir cela, les chercheurs ont utilisé un isotope enrichi du tungstène, le W-182, ainsi que l'isotope non modifié, pour retracer l'érosion, le transport et la redéposition du tungstène depuis l'intérieur du diverteur. L’observation du mouvement du tungstène à l’intérieur du diverteur – une zone à l’intérieur de la chambre à vide conçue pour détourner le plasma et les impuretés – leur a donné une image plus claire de la façon dont il s’érode des surfaces du tokamak et interagit avec le plasma. L'isotope du tungstène enrichi possède les mêmes propriétés physiques et chimiques que le tungstène ordinaire. Les expériences au DIII-D ont utilisé de petits inserts métalliques recouverts de l'isotope enrichi placés à proximité, mais pas au niveau, de la zone de flux thermique le plus élevé, une zone du récipient généralement appelée région cible lointaine du diverteur. Par ailleurs, dans une région de détournement présentant les flux les plus élevés, le point d'impact, les chercheurs ont utilisé des inserts contenant l'isotope non modifié. Le reste de la chambre DIII-D est blindé de graphite.

Cette configuration a permis aux chercheurs de collecter des échantillons sur des sondes spéciales temporairement insérées dans la chambre pour mesurer le flux d'impuretés vers et depuis le blindage du vaisseau, ce qui pourrait leur donner une idée plus précise de l'endroit où le tungstène qui s'était échappé du divertor dans la chambre avait été détecté. originaire.

"L'utilisation de l'isotope enrichi nous a donné une empreinte digitale unique", a déclaré Unterberg.

Il s’agissait de la première expérience de ce type menée dans un appareil à fusion. L'un des objectifs était de déterminer les meilleurs matériaux et l'emplacement de ces matériaux pour le blindage de la chambre, tout en gardant les impuretés causées par les interactions plasma-matériau en grande partie contenues dans le diverteur et en ne contaminant pas le plasma du noyau confiné par l'aimant utilisé pour produire la fusion.

Une complication liée à la conception et au fonctionnement des diverteurs est la contamination par des impuretés dans le plasma provoquée par les modes localisés aux bords, ou ELM. Certains de ces événements rapides et à haute énergie, semblables aux éruptions solaires, peuvent endommager ou détruire des composants de navire tels que des plaques de dérivation. La fréquence des ELM, c'est-à-dire le nombre de fois par seconde où ces événements se produisent, est un indicateur de la quantité d'énergie libérée par le plasma vers la paroi. Les ELM à haute fréquence peuvent libérer de faibles quantités de plasma par éruption, mais si les ELM sont moins fréquents, le plasma et l'énergie libérés par éruption sont élevés, avec une plus grande probabilité de dommages. Des recherches récentes ont porté sur les moyens de contrôler et d'augmenter la fréquence des ELM, par exemple grâce à l'injection de pellets ou à des champs magnétiques supplémentaires de très petites magnitudes.

L'équipe d'Unterberg a découvert, comme elle s'y attendait, que le fait d'éloigner le tungstène du point d'impact à haut flux augmentait considérablement la probabilité de contamination lorsqu'il était exposé à des ELM à basse fréquence ayant un contenu énergétique et un contact de surface plus élevés par événement. De plus, l’équipe a découvert que cette région cible lointaine du diverteur était plus sujette à la contamination du SOL, même si ses flux étaient généralement inférieurs à ceux du point d’impact. Ces résultats apparemment contre-intuitifs sont confirmés par les efforts de modélisation des diverteurs en cours dans le cadre de ce projet et des expériences futures sur le DIII-D.

Ce projet a impliqué une équipe d'experts de toute l'Amérique du Nord, comprenant des collaborateurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton, du laboratoire national Lawrence Livermore, des laboratoires nationaux Sandia, de l'ORNL, de General Atomics, de l'université d'Auburn, de l'université de Californie à San Diego, de l'université de Toronto, l'Université du Tennessee-Knoxville et l'Université du Wisconsin-Madison, car il fournissait un outil important pour la recherche sur les interactions plasma-matériau. Le Bureau scientifique du DOE (Fusion Energy Sciences) a apporté son soutien à l'étude.

L'équipe a publié des recherches en ligne plus tôt cette année dans la revueFusion Nucléaire.

La recherche pourrait immédiatement bénéficier au Joint European Torus, ou JET, et à ITER, actuellement en construction à Cadarache, en France, qui utilisent tous deux une armure en tungstène pour le diverteur.

"Mais nous envisageons des choses au-delà d'ITER et de JET : nous envisageons les réacteurs à fusion du futur", a déclaré Unterberg. « Où est-il préférable de mettre du tungstène, et où ne faut-il pas mettre de tungstène ? Notre objectif ultime est de blinder intelligemment nos réacteurs à fusion, lorsqu’ils arriveront. »

Unterberg a déclaré que le groupe unique d'isotopes stables de l'ORNL, qui a développé et testé le revêtement isotopique enrichi avant de le mettre sous une forme utile pour l'expérience, a rendu la recherche possible. Cet isotope n'aurait été disponible nulle part ailleurs qu'au Centre national de développement des isotopes de l'ORNL, qui maintient un stock de presque tous les éléments isotopiquement séparés, a-t-il déclaré.

"L'ORNL possède une expertise unique et des désirs particuliers pour ce type de recherche", a déclaré Unterberg. "Nous avons une longue tradition de développement d'isotopes et de leur utilisation dans toutes sortes de recherches dans différentes applications à travers le monde."

De plus, ORNL gère US ITER.

Ensuite, l’équipe examinera comment l’insertion de tungstène dans des diverteurs de formes différentes pourrait affecter la contamination du noyau. Différentes géométries de diverteurs pourraient minimiser les effets des interactions plasma-matériau sur le plasma central, ont-ils théorisé. Connaître la meilleure forme pour un divertor – un composant nécessaire pour un dispositif à plasma à confinement magnétique – rapprocherait les scientifiques d'un réacteur à plasma viable.

« Si nous, en tant que société, disons que nous voulons que l’énergie nucléaire se réalise et que nous voulons passer à l’étape suivante », a déclaré Unterberg, « la fusion serait le Saint Graal ».