Dans les tokamaks, dispositifs de confinement magnétique à l'étude pour une utilisation comme réacteurs de fusion nucléaire, des événements anormaux peuvent provoquer un transfert d'énergie avec 10 millions de fois l'intensité du rayonnement solaire à la surface de la Terre. Ces événements peuvent causer des dommages aux composants structurels, menaçant potentiellement la longévité d'un tokamak.

Des chercheurs de Penn State ont récemment publié un article sur la simulation de ces conditions en laboratoire, sans utilisation de tokamak, pour étudier les effets d'une telle charge thermique extrême sur le tungstène. Ils ont publié leurs conclusions dans Dégradation des matériaux npj le 2 octobre.

"Pour que la puissance de fusion fonctionne vraiment au lieu de simplement travailler théoriquement, nous devons comprendre comment certains matériaux survivront mieux que d'autres, " a déclaré Leigh Winfrey, professeur agrégé au département de génie nucléaire Ken et Mary Alice Lindquist. "Cette recherche nous donne une meilleure compréhension du problème."

Lorsqu'un tokamak fonctionne, le plasma à haute énergie traverse sa chambre en forme de beignet, délimité par des champs magnétiques, de sorte que le plasma, souvent à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés Fahrenheit, ne touche pas les parois du tokamak. Des dispositifs appelés diverteurs sont en contact avec des parties du plasma pour éliminer les déchets. Les divertors doivent être capables de résister au transfert de chaleur des opérations typiques du tokamak ainsi qu'aux événements inhabituels créés par l'instabilité du plasma, analogue à l'éruption d'une éruption solaire à la surface du soleil. Ces anomalies peuvent générer des charges thermiques extrêmes d'une durée allant de quelques millisecondes à quelques minutes.

Les chercheurs ont étudié les effets de ces événements anormaux sur le tungstène, un métal à l'étude pour une utilisation dans les divertisseurs des réacteurs à fusion tokamak. Le point de fusion du tungstène est le plus élevé de tous les éléments purs, et il a une grande capacité de transfert de chaleur après l'avoir absorbée.

La partie expérimentale de l'étude a eu lieu à l'Université de Floride où Winfrey était auparavant membre du corps professoral. Le tungstène a été utilisé comme revêtement intérieur pour les tubes isolés d'un diamètre intérieur de 4 mm, environ la longueur d'une graine de sésame, et un diamètre extérieur de 6,9 ​​mm. Des charges électriques ont été pulsées à travers le tube à des intervalles d'un à deux millionièmes de seconde. La fourniture de courant sur une petite zone et une courte durée a créé des panaches de plasma en arc, qui a généré des flux d'énergie appelés flux de chaleur sur la surface du tube mesurant jusqu'à 46,3 gigawatts par mètre carré. En comparaison, plus de 400 éoliennes sont nécessaires pour produire de l'énergie à raison d'un gigawatt.

Les échantillons ont été testés à quatre flux de chaleur différents et analysés au microscope électronique à balayage après refroidissement complet. Bien que l'étendue des dommages diffère selon les expositions au flux de chaleur, chacun a créé trois couches distinctes dans la section transversale du tungstène. La première couche était constituée de tungstène entièrement fondu qui s'était resolidifié, la seconde avait été partiellement fondue et du tungstène non endommagé constituait la troisième couche.

Les microcaractéristiques variaient entre les couches. La première couche contenait de nombreuses caractéristiques, y compris des formations en forme de rose, petits vides se formant dus au cisaillement et aux contraintes thermiques, nanoparticules de cuivre transférées lors de la pulsation électrique et de la nouvelle croissance de groupes microscopiques de cristaux appelés grains. La deuxième, la couche partiellement fondue présentait un certain nombre de vides qui étaient alignés vers la source de chaleur et des grains colonnaires qui étaient moins alignés vers la source de chaleur. Dans la troisième couche, les grains ont grossi en attachant des grains plus petits, un peu comme une goutte de pluie glissant le long d'une fenêtre entrera en collision avec d'autres gouttes pour en former une plus grosse.

Parce que chacune de ces microcaractéristiques peut être attribuée à une cause spécifique, ces détails peuvent donner aux chercheurs un aperçu de la poursuite des recherches sur la conception de matériaux offrant une meilleure capacité de survie dans un environnement de fusion, selon Winfrey.

« Les caractéristiques de ces couches peuvent être attribuées à un processus physique, " a déclaré Winfrey. " Et quand vous savez quels mécanismes physiques sont à l'origine de ces microcaractéristiques, vous pouvez commencer à changer la façon dont le matériau est fabriqué pour le rendre résistant à ces dommages."