La fusion nucléaire est le processus qui alimente le Soleil et toutes les autres étoiles. Lors de la fusion, les noyaux de deux atomes sont suffisamment rapprochés pour fusionner, libérant d'énormes quantités d'énergie.

La réplication de ce processus sur Terre a le potentiel de fournir une électricité presque illimitée avec des émissions de carbone pratiquement nulles et une plus grande sécurité, et sans le même niveau de déchets nucléaires que la fission.

Mais construire ce qui est essentiellement une mini étoile sur Terre et la maintenir ensemble à l'intérieur d'un réacteur n'est pas une tâche facile. Cela nécessite des températures et des pressions immenses et des champs magnétiques extrêmement puissants.

À l'heure actuelle, nous n'avons pas tout à fait des matériaux capables de résister à ces extrêmes. Mais des chercheurs comme moi travaillent à les développer, et nous avons trouvé des choses passionnantes en cours de route.

Tokamaks

Il existe de nombreuses façons de contenir les réactions de fusion nucléaire sur Terre, mais le plus courant utilise un appareil en forme de beignet appelé tokamak. A l'intérieur du tokamak, les combustibles de la réaction, les isotopes de l'hydrogène appelés deutérium et tritium, sont chauffés jusqu'à ce qu'ils deviennent un plasma. Un plasma est lorsque les électrons dans les atomes ont suffisamment d'énergie pour s'échapper des noyaux et commencer à flotter. Parce qu'il est composé de particules chargées électriquement, contrairement à un gaz normal, il peut être contenu dans un champ magnétique. Cela signifie qu'il ne touche pas les côtés du réacteur - au lieu de cela, il flotte au milieu en forme de beignet.

Lorsque le deutérium et le tritium ont suffisamment d'énergie, ils fusionnent, créer de l'hélium, neutrons et libérer de l'énergie. Le plasma doit atteindre des températures de 100 millions de degrés Celsius pour que de grandes quantités de fusion se produisent, dix fois plus chaudes que le centre du Soleil. Il doit faire beaucoup plus chaud car le Soleil a une densité de particules beaucoup plus élevée.

Bien qu'il soit principalement contenu dans un champ magnétique, le réacteur doit encore résister à des températures énormes. Chez Iter, la plus grande expérience de fusion au monde, devrait être construit d'ici 2035, la partie la plus chaude de la machine atteindrait environ 1, 300 .

Alors que le plasma sera principalement contenu dans un champ magnétique, il y a des moments où le plasma peut entrer en collision avec les parois du réacteur. Cela peut entraîner une érosion, l'implantation du combustible dans les parois et les modifications des propriétés du matériau.

En plus des températures extrêmes, il faut aussi considérer les sous-produits de la réaction de fusion du deutérium et du tritium, comme les neutrons de très haute énergie. Les neutrons n'ont pas de charge et ne peuvent donc pas être contenus par le champ magnétique. Cela signifie qu'ils heurtent les parois du réacteur, causant des dommages.

Les percées

Tous ces défis incroyablement complexes ont contribué à d'énormes progrès dans les matériaux au fil des ans. L'un des plus remarquables a été les aimants supraconducteurs à haute température, qui sont utilisés par divers projets de fusion différents. Ceux-ci se comportent comme des supraconducteurs à des températures inférieures au point d'ébullition de l'azote liquide. Bien que cela semble froid, elle est élevée par rapport aux températures beaucoup plus froides dont les autres supraconducteurs ont besoin.

En fusion, ces aimants ne sont qu'à quelques mètres des températures élevées à l'intérieur du tokamak, créant un gradient de température extrêmement important. Ces aimants ont le potentiel de générer des champs magnétiques beaucoup plus forts que les supraconducteurs conventionnels, ce qui peut réduire considérablement la taille d'un réacteur de fusion et peut accélérer le développement de la fusion commerciale.

Nous avons des matériaux conçus pour faire face aux divers défis que nous leur lançons dans un réacteur à fusion. Les précurseurs du moment sont les aciers à activation réduite, qui ont une composition altérée par rapport aux aciers traditionnels de sorte que les niveaux d'activation des dommages neutroniques sont réduits, et tungstène.

L'une des choses les plus intéressantes de la science est que quelque chose initialement considéré comme un problème potentiel peut se transformer en quelque chose de positif. Fusion ne fait pas exception à cela, et un exemple très particulier mais remarquable est le cas du fuzz au tungstène. Le fuzz est une nanostructure qui se forme sur le tungstène lorsqu'elle est exposée à un plasma d'hélium lors d'expériences de fusion. Initialement considéré comme un problème potentiel en raison des craintes d'érosion, il y a maintenant des recherches sur des applications non fusion, y compris la division solaire de l'eau - la décomposant en hydrogène et oxygène.

Cependant, aucun matériau n'est parfait, et il reste plusieurs problèmes. Il s'agit notamment de la fabrication à grande échelle de matériaux à activation réduite et de la fragilité intrinsèque du tungstène, ce qui en fait un défi de travailler avec. Nous devons améliorer et affiner les matériaux existants que nous avons.

Les défis

Malgré les énormes avancées dans le domaine des matériaux pour la fusion, il y a encore beaucoup de travail à faire. Le problème principal est que nous nous appuyons sur plusieurs expériences proxy pour recréer les conditions potentielles du réacteur, et je dois essayer d'assembler ces données, utilisant souvent de très petits échantillons. Des travaux de modélisation détaillés permettent d'extrapoler les prédictions des performances des matériaux. Ce serait bien mieux si nous pouvions tester nos matériaux dans des situations réelles.

La pandémie a eu un impact majeur sur la recherche sur les matériaux car il a été plus difficile de mener des expériences réelles. Il est vraiment important que nous continuions à développer et à utiliser des modèles avancés pour prédire les performances des matériaux. Cela peut être combiné avec des avancées en apprentissage automatique, pour identifier les expériences clés sur lesquelles nous devons nous concentrer et identifier les meilleurs matériaux pour le travail dans les futurs réacteurs.

La fabrication de nouveaux matériaux se fait généralement en petits lots, en se concentrant uniquement sur la production de suffisamment de matériaux pour les expériences. Aller de l'avant, plus d'entreprises continueront à travailler sur la fusion et il y aura plus de programmes travaillant sur des réacteurs expérimentaux ou des prototypes.

À cause de ce, nous arrivons à un stade où nous devons réfléchir davantage à l'industrialisation et au développement des chaînes d'approvisionnement. Alors que nous nous rapprochons des réacteurs prototypes et, espérons-le, des centrales électriques à l'avenir, développer des chaînes d'approvisionnement robustes à grande échelle sera un énorme défi.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.