Pour obtenir une énergie pratique à partir de la fusion, la chaleur extrême du composant "couverture" du système de fusion doit être extraite de manière sûre et efficace. Les experts en fusion du laboratoire national d'Oak Ridge explorent comment de minuscules obstacles imprimés en 3D placés à l'intérieur des tuyaux étroits d'un système de refroidissement sur mesure pourraient être une solution pour éliminer la chaleur de la couverture.

Une équipe de l'ORNL teste cette approche dans un système de boucle d'écoulement d'hélium construit pour déterminer quelles géométries sont les plus efficaces pour aider le flux de gaz en mouvement continu, refroidissant les structures métalliques. Cet effort associe l'expertise en technologie de fusion de l'ORNL aux capacités de fabrication avancées du laboratoire.

Dans les systèmes de fusion, la couverture est un composant absorbant la chaleur à l'intérieur du réacteur, entourant le plasma à l'intérieur de la cuve à vide pour protéger les autres composants de la chaleur extrême. La couverture a généralement une épaisseur comprise entre 0,5 et 1,5 mètre. De plus, la couverture joue un rôle central dans la capture de l'énergie thermique des neutrons et dans la génération de combustible de fusion.

"Nous nous attaquons à un problème de recherche sur la fusion qui a été très peu étudié depuis les années 1990, lorsque les scientifiques ont identifié pour la première fois que certaines perturbations peuvent augmenter le transfert de chaleur", a déclaré Charles Kessel, chef de la section Fusion Nuclear Science, Technology, and Engineering de l'ORNL et directeur de la Laboratoire virtuel de technologie.

Alors que l'installation internationale de fusion ITER est en cours d'assemblage et que d'autres dispositifs de fusion sont en cours d'exploitation ou de développement, il reste un besoin mondial de solutions de technologie de refroidissement de couverture pour prendre en charge une future usine pilote de fusion.

Pour produire de l'électricité à partir des futurs réacteurs à fusion, le plasma doit atteindre des températures plus chaudes que le soleil. Un système de refroidissement est nécessaire pour éviter d'endommager les composants vitaux du réacteur tout en s'assurant que le cœur de l'appareil continue de fonctionner à des températures élevées et atteint une production d'énergie efficace.

Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont développé et testé des idées sur la façon de procéder en utilisant des systèmes à base d'eau. Mais l'hélium offre plusieurs avantages par rapport à l'eau dans l'environnement du réacteur de fusion à haute température, allant de la sécurité à la compatibilité des matériaux et à l'efficacité de conversion thermique élevée.

"L'eau ne fonctionne pas bien avec le martensitique ferritique à activation réduite, ou RAFM, ​​un type d'acier que la communauté des matériaux a développé comme un composant clé possible pour le réacteur à fusion. Sans compter que l'utilisation de l'eau pourrait également représenter un risque de contamination en cas d'une fuite", a déclaré Kessel.

De plus, l'eau a le potentiel d'interagir avec les composés du lithium utilisés pour produire du tritium, le principal candidat pour alimenter les réacteurs à fusion. Il nécessite également des pressions très élevées pour rester liquide à certaines températures et a le potentiel de provoquer de la corrosion.

L'hélium présente des avantages significatifs par rapport à l'eau. Le trait le plus important pour la fusion est que l'hélium peut supporter des températures aussi élevées que nécessaire et n'est limité que par les matériaux solides qui le contiennent. De plus, il est plus efficace que l'eau ou la vapeur lors de la conversion de l'énergie thermique en électricité, en raison de sa tolérance aux températures élevées.

Pour étudier le rôle que l'hélium pourrait jouer en tant qu'agent de refroidissement, les chercheurs en fusion de l'ORNL ont dû surmonter un autre défi. Même si le refroidissement à l'hélium a été mis en évidence comme l'un des besoins de premier niveau pour les études sur les couvertures de fusion lors du processus de planification de la communauté américaine de fusion de l'American Physical Society-Division of Plasma Physics 2019-2020, l'infrastructure nécessaire pour faire de cette recherche une réalité n'était pas encore en place. . C'est pourquoi Kessel et son équipe ont décidé de construire le leur.

La boucle de test, qui se compose d'une pompe, d'un réseau de tuyaux et d'une section de test assemblés en forme de cube de 10 pieds, semble simple, mais nécessite de nombreux ajustements.

"Nous testons actuellement l'assemblage pour détecter toute fuite, et dans les semaines à venir, nous commencerons à tester la pression, qui augmentera jusqu'à atteindre 600 livres par pouce carré, soit environ 40 atmosphères", a déclaré Kessel.

Un labyrinthe précis

Le refroidissement à l'hélium présente des défis, notamment sa légèreté en termes de poids et de densité, ce qui empêche le gaz d'évacuer efficacement la chaleur.

Pour résoudre ce problème, Kessel et son équipe ont développé une solution innovante :un ensemble de tuyaux spécialement conçus qui comportent de minuscules obstacles imprimés en 3D à l'intérieur des tubes pour aider l'hélium à se frayer un chemin à travers le système de refroidissement et éviter la stagnation. Lorsque le flux d'hélium rencontre les obstacles, il crée une turbulence qui force le gaz dans différentes directions, ce qui, à son tour, améliore son évacuation de la chaleur et son mélange.

Mais la forme, la taille et la position de ces obstacles ne peuvent être laissées au hasard. Pour trouver la conception la plus efficace, l'équipe a rassemblé des données géométriques à l'aide de simulations numériques de dynamique des fluides.

"Bien que l'idée d'utiliser des canaux d'écoulement remplis d'obstacles pour améliorer l'évacuation de la chaleur de l'hélium flotte depuis plus de deux décennies, nous avons toujours manqué d'une étude systématique de la façon dont différents types de perturbations interagissent avec le gaz. Ce niveau de précision sera nécessaires pour aborder la conception des futurs réacteurs à fusion", a déclaré Kessel.

Grâce à l'informatique, les scientifiques peuvent développer des modèles de turbulence d'hélium optimisés capables de fonctionner efficacement dans les réacteurs de fusion. Jusqu'à présent, l'équipe a produit environ 10 schémas de perturbation différents. Ils s'attendent à ce que les géométries deviennent de plus en plus complexes, ils s'appuient donc sur des techniques de fabrication avancées pour produire de nouvelles sections d'essai.

"J'attends avec impatience les comparaisons détaillées du flux d'hélium prévu par calcul à travers ces perturbations couplées à la visualisation expérimentale de ces modèles d'écoulement. Cela amènera l'étude du refroidissement de l'hélium et la compréhension de ses comportements d'écoulement au niveau supérieur où les prédictions peuvent être tournées en toute confiance. en conceptions réelles », a déclaré Kessel. + Explorer plus loin

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