Dans un réacteur de fusion à confinement de champ magnétique, nous maintenons le plasma à haute température à travers les lignes de champ magnétique en faisant flotter le plasma à l'écart d'un récipient. Cependant, il se forme inévitablement un endroit où le plasma frappe. Dans un tel endroit, afin de recevoir la chaleur du plasma, un dispositif d'absorption de chaleur appelé divertor est monté. Dans les dispositifs expérimentaux plasma actuels, y compris le grand dispositif hélicoïdal (LHD) au National Institute for Fusion Science (NIFS), un divertor solide est généralement utilisé, où le plasma est guidé vers une plaque ou un bloc composé de carbone ou de tungstène et ces plaques ou blocs sont refroidis par de l'eau. Dans le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER), trop, un divertor solide composé de blocs de tungstène qui seront refroidis par l'eau est en cours d'adoption.

Le divertor solide, car il s'use à cause des chocs des plasmas à haute température, nécessite un entretien fréquent. Chez NIFS, le réacteur à fusion de type hélicoïdal, pour lesquels la recherche en conception est avancée, a la particularité de bonnes perspectives pour un fonctionnement stable. Inversement, parce que la structure est tridimensionnelle et compliquée, la façon dont la maintenance des divertor sera effectuée devient un problème technologique difficile.

Dans le futur réacteur à fusion, la quantité de chaleur que recevra le divertor va augmenter, et il est à craindre que le flux de chaleur dépasse sensiblement la valeur de conception d'ITER, soit environ 20 mégawatts par mètre carré. En tant que divertor qui supportera ce flux de chaleur extrêmement élevé, des méthodes utilisant le métal liquide sont proposées et envisagées depuis plus de 40 ans. L'idée a été de recevoir le flux de chaleur élevé avec le flux de lithium fondu, étain, et autres métaux liquides. Si la vitesse d'écoulement peut dépasser plusieurs mètres par seconde, alors le divertor peut résister au flux de chaleur élevé du plasma de fusion. D'autre part, parce que les particules qui ont été converties en gaz neutre à partir d'un plasma s'arrêtent sur le divertor, le rôle d'évacuation de ces gaz vers l'extérieur est donc demandé. En particulier, concernant le réacteur à fusion de type hélicoïdal avec sa structure compliquée, il n'y avait eu aucune suggestion de l'idée d'un divertor en métal liquide où la résistance à la chaleur élevée et les performances d'évacuation sont compatibles.

Le groupe de recherche du professeur Junichi Miyazawa, Professeur Akio Sagara, et d'autres, tous de l'Institut national des sciences de la fusion, construit un nouveau type de système de déviateur de douche en métal liquide qui évacue le plasma sous forme de gaz neutres avant d'arriver au navire. Ils ont dirigé un jet fin de métal liquide aligné dans un état de douche sur les zones périphériques du plasma à haute température. Ils ont utilisé de l'étain, ce qui est excellent pour une faible pression de vapeur et pour être peu coûteux, et aussi pour la sécurité.

Dans cette nouvelle méthode, ils ont placé l'appareil à intervalles dans seulement dix endroits à l'intérieur du dispositif de confinement toroïdal (voir figure 1). De cette façon, l'entretien devient beaucoup plus facile à effectuer. Inversement, la surface avec laquelle le plasma peut entrer en contact diminue, puis la charge thermique est fortement augmentée. Si nous utilisons un flux de métal liquide à grande vitesse, alors cela deviendra une contre-mesure.

Parce que le plasma à haute température se déplace le long des lignes de champ magnétique, à placer le métal liquide en biais, une paroi solide est formée à travers laquelle le plasma ne peut pas passer. (Voir Figure 2 à gauche.) Le plasma neutralisé à la surface de la gerbe de métal liquide traverse les interstices de la gerbe vers la face arrière, et ainsi une évacuation efficace est possible. (Voir la figure 2 à droite.)

La douche de métal liquide peut supporter une charge thermique extrêmement importante qui dépasse d'environ dix fois la valeur tolérée par le récent divertor ITER. Même avec une charge thermique aussi élevée, nous avons appris que si nous utilisons un débit de métal liquide de 4 mètres par seconde, la charge thermique élevée peut être facilement bloquée. Comme le montre la figure 3, car il y a la caractéristique importante dans laquelle lorsque le plasma touche une fois la douche, il ne heurte pas le navire.

Dans le déviateur de douche en métal liquide, un écoulement stable sur une longueur de quelques mètres est nécessaire. Le flux est accéléré par gravité, et lorsque le diamètre devient mince la surface devient simultanément instable, des gouttes tombent, et la pulvérisation est générée. En tant qu'appareil qui reçoit de la chaleur, ce n'est pas souhaitable. Afin de supprimer la vitesse par la gravité, nous avons inséré un objet qui deviendrait résistance à l'écoulement à l'intérieur du liquide. Dans la résistance interne, nous utilisons du fil et du ruban adhésif, ou une chaîne. Celui qui convient le mieux variera en fonction de la variété du fluide et de la vitesse d'écoulement souhaitée. Quand il y a une résistance interne, parce que la zone à haute température et la zone à basse température deviendront facilement agitées, on anticipe également l'effet qui abaisse la température la plus élevée et supprime l'évaporation du métal liquide.

Dans cette nouvelle procédure, par rapport aux procédures utilisées à ce jour qui utilisaient du carbone et d'autres solides, avec des performances de résistance à la chaleur multipliées par plus de 10, on peut s'attendre à ce que des performances d'évacuation élevées soient également atteintes. Plus loin, il n'y a aucune restriction contre la longévité de l'appareil due à l'usure causée par le plasma, et la maintenance de l'appareil devient facile. Parce que le réacteur à fusion hélicoïdale a une structure tridimensionnelle compliquée, on pense que l'utilisation de métal liquide dans le dispositif de réception de chaleur sera problématique. Mais selon cette recherche, il a été indiqué que cela sera possible.

Ces résultats de recherche ont été présentés lors de la 26e conférence de l'Agence internationale de l'énergie atomique qui s'est tenue du 17 au 22 octobre à Kyoto, Japon.

Concernant le divertor qui devrait supporter la charge thermique extrêmement élevée dans le réacteur de fusion, il n'y avait pas encore eu de réponse. Cette recherche fournira une percée concernant ce problème difficile, et constituera une étape importante vers la réalisation du futur réacteur à fusion.

Concernant cette recherche, nous avons développé une technologie pour stabiliser un débit qui dépasse plusieurs mètres. (La demande de brevet est actuellement en cours d'examen.) Le débit de liquide, comme l'eau potable qui coule des robinets et l'eau des camions de pompiers, est un phénomène conventionnel. Mais dans les manières d'utiliser l'écoulement de liquide, de nombreuses possibilités sont cachées. En particulier, dans un flux de liquide stable et long, des domaines de l'agriculture et de la chimie aux domaines basés sur nos vies tels que l'humidificateur et les décorations intérieures, il existe une grande variété d'applications. Même en tant que sujet de recherche universitaire, l'eau est captivante. Si l'attention est attirée sur l'utilité de l'écoulement liquide par cette recherche, nous pouvons anticiper d'autres activités dans des domaines de recherche connexes.