L'énergie de fusion pratique n'est pas qu'un rêve au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Des experts en fusion et en science des matériaux travaillent ensemble pour développer des solutions qui rendront possible une usine pilote de fusion - et finalement une électricité de fusion abondante et sans carbone.

En tant que chef de la section Science, technologie et ingénierie du nucléaire de fusion du laboratoire, Chuck Kessel connaît bien les défis liés aux matériaux qui doivent être relevés pour construire une centrale électrique. Kessel n'avait pas besoin de chercher plus loin que Bruce Pint, responsable du groupe Science et technologie de la corrosion de l'ORNL, pour trouver un collaborateur.

Pint étudie depuis des décennies des matériaux résistants à la corrosion et à haute température pour les applications de production d'énergie. Ses travaux se sont concentrés principalement sur la corrosion et l'oxydation gaz-métal ou alliages pour les centrales au charbon, au gaz et nucléaires. L'examen des liquides corrosifs dans le contexte de l'énergie de fusion représente un défi différent et plus difficile.

"C'est un peu de science et un peu d'art qui entrent dans tout cela", a déclaré Pint.

L'un des défis majeurs de la fusion est de savoir comment produire et récupérer le tritium, un isotope lourd de l'hydrogène qui, avec son cousin plus léger, le deutérium, servira de combustible pour les réacteurs à fusion de demain.

Dans une réaction de fusion, ces isotopes sont chauffés à des températures semblables à celles du soleil dans un plasma où ils entrent en collision pour former de l'hélium et un neutron, libérant de l'énergie sous forme d'énergie cinétique. En dirigeant ces neutrons rapides vers le lithium métallique le plus courant, les scientifiques peuvent produire du tritium dans le réacteur lui-même.

Une stratégie prometteuse pour produire du tritium dans un réacteur à fusion consiste à canaliser le plomb-lithium liquide à travers la "couverture" du réacteur - les parois internes en acier spécialisé avec des inserts de canaux d'écoulement en carbure de silicium. Cependant, il y a un hic :le flux continu de plomb-lithium rongera progressivement l'acier. Minimiser cette corrosion est une étape cruciale pour une centrale à fusion viable.

"Ce type de couverture, avec un surgénérateur liquide qui la traverse et corrode ces matériaux, est fondamentalement limité par ce mécanisme de corrosion", a déclaré Kessel.

Marie Romedenne, qui a étudié les métaux liquides pour son doctorat et a rejoint l'ORNL en 2019, aide Pint et en apprend plus sur les méthodes expérimentales des métaux liquides de l'ORNL utilisées depuis les années 1950.

De nombreux facteurs contribuent aux taux de corrosion, y compris la composition des matériaux exposés; combien de temps il est exposé; à quelle vitesse le liquide s'écoule ; les champs magnétiques puissants utilisés pour contrôler et confiner le plasma ; la température; et les impuretés dans le système. Ce défi de la corrosion a donné à Pint et Romedenne l'occasion de planifier plusieurs expériences conçues pour démêler ces facteurs tout en se rapprochant des conditions d'un réacteur à fusion réel.

L'équipe a construit une série de boucles d'écoulement qui testaient les matériaux dans diverses conditions, y compris des températures allant jusqu'à 700 degrés Celsius. À l'intérieur de la boucle, les scientifiques ont inséré des spécimens d'un acier similaire à celui qui serait utilisé pour les composants d'un dispositif de fusion, ainsi que des spécimens de carbure de silicium. Selon les conceptions de fusion actuelles, le carbure de silicium réduit la chute de pression dans le flux plomb-lithium en isolant électriquement le fluide des parois en acier. Cette approche permet aux trois matériaux de coexister et d'interagir, le plomb-lithium servant d'intermédiaire entre l'acier et le carbure de silicium.

Après chaque expérience de 1 000 heures, les spécimens ont été testés pour voir s'ils étaient devenus cassants et combien de masse avait été perdue à la dissolution dans le plomb lithium liquide ou, alternativement, ajouté par des composés nouvellement formés.

Dans la première expérience, Pint et Romedenne ont découvert que le fer et le chrome de l'acier se dissolvaient dans le liquide, qui réagissait ensuite avec les échantillons de carbure de silicium pour former des composés intermétalliques, des siliciures et des carbures de fer et de chrome. Au fur et à mesure que ces composés nouvellement formés traversaient la boucle, ils se sont accumulés sur les échantillons de carbure de silicium à l'extrémité la plus froide de la boucle, ce qui a donné une couche relativement épaisse.

"C'était en fait assez spectaculaire - quelques centaines de microns d'épaisseur", a déclaré Pint. "Je pensais qu'il pourrait réagir un peu. Je ne m'attendais pas à ce qu'il réagisse autant."

Pint et Romedenne ont également découvert que l'abaissement de la température élevée de la boucle de 700 à 650 degrés Celsius entraînait une accumulation beaucoup plus lente des composés nouvellement formés.

"Si vous n'avez que du carbure de silicium et que vous n'avez pas de source de fer et de chrome à mettre dans le liquide, vous ne verrez pas cette réaction", a déclaré Pint. "Personne n'avait assemblé toutes les pièces avant."

Au fur et à mesure que le fer et le chrome réagissaient avec le carbure de silicium, le plomb-lithium corrodait considérablement les échantillons d'acier. "Ils étaient à peine là après la fin du test", a-t-il déclaré.

Dans la deuxième expérience, l'équipe a enduit l'acier d'une fine couche d'aluminium pour le protéger du liquide corrosif, la première fois que cela a été fait dans une expérience fluide. Les résultats, a déclaré Pint, étaient encourageants.

"La corrosion se produit toujours, même lorsque nous avons essayé de tout boutonner autant que possible", a déclaré Pint. "Mais nous avons ramené les choses à un niveau plus gérable. Aucun de nos spécimens d'acier revêtu n'a été dégradé de manière significative."

Dans les expériences à venir, Pint et Romedenne prévoient d'utiliser une couche d'aluminium plus fine pour minimiser la quantité de cet élément qui se retrouve dans le système. Ils prévoient également de doubler la durée des expériences à 2 000 heures pour mieux étudier la croissance de la couche de réactifs du côté froid de la boucle.

Pour s'aventurer au-delà des limites de leurs boucles expérimentales, Romedenne utilise des modèles et des simulations pour prédire les durées de vie de corrosion des matériaux de fusion à des durées industrielles - 50 000 heures ou plus. Mais des expériences continues et de nouveaux environnements de test sont nécessaires pour valider et améliorer ces modèles.

Kessel prépare actuellement le terrain pour le développement d'une boucle d'écoulement avancée, qui comporterait des aimants pour aider à mesurer l'impact des champs magnétiques sur les taux de corrosion.

"Nous voulons créer un environnement aussi prototypique que possible pour nous permettre d'identifier, de démontrer et d'optimiser les solutions réelles pour une usine pilote de fusion", a déclaré Kessel. + Explorer plus loin

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