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

Zeke Unterberg et son équipe du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie travaillent actuellement avec le candidat principal :le tungstène, qui a 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 résistance à la traction très élevée, des propriétés qui le rendent bien adapté pour subir des abus pendant de longues périodes. Ils se concentrent sur la compréhension du fonctionnement du tungstène à l'intérieur d'un réacteur à fusion, un appareil 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 de 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, " dit Unterberg, chercheur principal à la Division de l'énergie de fusion de l'ORNL. "Vous voulez avoir une durée de vie suffisante. Nous mettons du tungstène dans des zones où nous prévoyons qu'il y aura un bombardement de plasma très élevé."

En 2016, Unterberg et l'équipe ont commencé à mener des expériences dans le tokamak, un réacteur de fusion qui utilise des champs magnétiques pour contenir un anneau de plasma, à l'installation nationale de fusion DIII-D, 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 de la destruction rapide causée par les effets du plasma, sans contaminer fortement le plasma lui-même. Cette contamination, s'il n'est pas suffisamment géré, pourrait finalement éteindre la réaction de fusion.

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

Pour trouver ça, les chercheurs ont utilisé un isotope enrichi de tungstène, W-182, avec l'isotope non modifié, tracer l'érosion, transport et redéposition du tungstène depuis l'intérieur du divertor. L'examen du mouvement du tungstène à l'intérieur du divertor - 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 de tungstène enrichi a les mêmes propriétés physiques et chimiques que le tungstène ordinaire. Les expériences à DIII-D ont utilisé de petits inserts métalliques revêtus de l'isotope enrichi placés à proximité, mais pas à, la zone de flux de chaleur le plus élevé, une zone dans le vaisseau généralement appelée la région cible lointaine du divertor. Séparément, à une région du divertor avec les flux les plus élevés, le point de frappe, les chercheurs ont utilisé des inserts avec l'isotope non modifié. Le reste de la chambre DIII-D est blindé avec du graphite.

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

"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 des chambres, tout en maintenant les impuretés causées par les interactions plasma-matériau en grande partie contenues dans le divertor et en ne contaminant pas le plasma central confiné à l'aimant utilisé pour produire la fusion.

Une complication avec la conception et le fonctionnement des diverteurs est la contamination par les impuretés du plasma causée par les modes localisés aux bords, ou ELM. Certains d'entre eux sont rapides, événements à haute énergie, semblable aux éruptions solaires, peut endommager ou détruire les composants de la cuve tels que les plaques de dérivation. La fréquence des ELM, les fois par seconde 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 examiné les moyens de contrôler et d'augmenter la fréquence des ELM, comme avec l'injection de pastilles ou des champs magnétiques supplémentaires à de très petites amplitudes.

L'équipe d'Unterberg a trouvé, comme ils s'y attendaient, que le fait d'avoir le tungstène loin du point d'impact à haut flux augmentait considérablement la probabilité de contamination lorsqu'il était exposé à des ELM basse fréquence qui ont un contenu énergétique et un contact de surface plus élevés par événement. En outre, l'équipe a découvert que cette région cible éloignée du divertor était plus sujette à la contamination du SOL, même si elle a généralement des flux inférieurs à ceux du point d'impact. Ces résultats apparemment contre-intuitifs sont confirmés par les efforts de modélisation de divertor en cours en relation avec ce projet et les futures expériences sur DIII-D.

Ce projet impliquait une équipe d'experts de partout en Amérique du Nord, y compris des collaborateurs du Princeton Plasma Physics Laboratory, Laboratoire national Lawrence Livermore, Laboratoires nationaux Sandia, ORNL, Atomique générale, Université d'Auburn, l'Université de Californie à San Diego, l'Université de Toronto, l'Université du Tennessee—Knoxville, et l'Université du Wisconsin-Madison, car il a fourni un outil important pour la recherche sur les interactions plasma-matériau. L'Office of Science 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 revue La fusion nucléaire .

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

"Mais nous regardons des choses au-delà d'ITER et de JET, nous regardons 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 nos réacteurs à fusion, quand ils viennent, d'une manière intelligente."

Unterberg a déclaré que le groupe unique d'isotopes stables d'ORNL, qui a développé et testé le revêtement isotopique enrichi avant de le mettre sous une forme utile pour l'expérience, rendu la recherche possible. Cet isotope n'aurait pas été disponible ailleurs qu'au Centre national de développement des isotopes de l'ORNL, qui maintient un stock de presque tous les éléments isotopiquement séparés, il a dit.

« L'ORNL a une expertise unique et des envies particulières pour ce type de recherche, " a déclaré Unterberg. " Nous avons une longue tradition de développement d'isotopes et d'utilisation de ceux-ci dans toutes sortes de recherches dans différentes applications à travers le monde. "

En outre, L'ORNL gère US ITER.

Prochain, l'équipe examinera comment le fait de mettre du tungstène dans des divertisseurs de formes différentes pourrait affecter la contamination du cœur. Différentes géométries de divertor pourraient minimiser les effets des interactions plasma-matériau sur le plasma central, ils ont théorisé. Connaître la meilleure forme pour un divertor - un composant nécessaire pour un dispositif à plasma magnétique confiné - rapprocherait les scientifiques d'un réacteur à plasma viable.

"Si nous, en tant que société, dire que nous voulons que l'énergie nucléaire se produise, et nous voulons passer à l'étape suivante, " Unterberg a dit, "La fusion serait le Saint Graal."