Le tungstène pour protéger les réacteurs de fusion nucléaire

Zeke Unterberg et son équipe du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du ministère de l’Énergie travaillent actuellement avec le principal candidat : le tungstène, qui possède le point de fusion le plus élevé et la pression de vapeur la plus faible de tous les métaux du tableau périodique, ainsi qu’une très grande résistance à la fatigue, des propriétés qui le rendent bien adapté à une utilisation sur de longues périodes.

Les chercheurs se sont attachés à comprendre comment le tungstène fonctionnerait à l’intérieur d’un réacteur de fusion, un mécanisme qui chauffe les atomes légers à des températures plus élevées que le cœur du soleil afin qu’ils fusionnent et libèrent de l’énergie.

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L’hydrogène gazeux d’un réacteur à fusion est converti en plasma d’hydrogène -. un état de la matière consistant en un gaz partiellement ionisé – qui est ensuite confiné dans une petite région par des champs magnétiques puissants ou des lasers.

« Vous ne voulez pas mettre dans votre réacteur quelque chose qui ne dure que quelques jours », a déclaré 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 les zones où nous prévoyons qu’il y aura un très fort bombardement de plasma. »

En 2016, Unterberg et son équipe ont commencé à mener des expériences sur le tokamak, un réacteur de fusion qui utilise des champs magnétiques pour contenir un anneau de plasma, au DIII-D National Fusion Facility, une installation utilisatrice de l’Office of Science (du ministère de l’Énergie) à San Diego.

Les chercheurs voulaient savoir si le tungstène pouvait être utilisé pour blinder la chambre à vide du tokamak – la protéger de la destruction rapide causée par les effets du plasma – sans contaminer sérieusement le plasma lui-même. Cette contamination, si elle n’est pas suffisamment gérée, pourrait finalement éteindre la réaction de fusion. »

« Nous avons essayé de déterminer les zones de la chambre qui seraient particulièrement mauvaises : là où le tungstène était le plus susceptible de générer des impuretés qui pourraient contaminer le plasma », a déclaré Unterberg.

Isotope de tungstène enrichi pour le blindage des réacteurs de fusion nucléaire

Pour le savoir, les chercheurs ont utilisé un isotope de tungstène enrichi, le W-182, ainsi que l’isotope non modifié, pour suivre l’érosion, le transport et la redéposition du tungstène depuis l’intérieur du divertor. L’observation du mouvement du tungstène à l’intérieur du divertor – une zone située à l’intérieur de la chambre à vide conçue pour détourner le plasma et les impuretés – leur a permis de mieux comprendre comment il s’érode des surfaces à l’intérieur du tokamak et interagit avec le plasma.

Coupe transversale du tokamak DIII-D

Figure 1. Cette coupe transversale du tokamak DIII-D montre comment les chercheurs de l’ORNL ont utilisé le tungstène naturel (jaune) et le tungstène enrichi (orange) pour suivre l’érosion, le transport et la redéposition du tungstène.

L’isotope de tungstène enrichi a les mêmes propriétés physiques et chimiques que le tungstène ordinaire. Les expériences menées dans l’installation DIII-D ont utilisé de petits inserts métalliques recouverts de l’isotope enrichi placés près de la zone où le flux thermique est le plus élevé, mais pas dans cette zone de la cuve généralement appelée région du divertor de la cible lointaine.

En revanche, dans une région du divertor où les flux sont les plus élevés, le point chaud, les chercheurs ont utilisé des inserts avec l’isotope non modifié. Le reste de la chambre DIII-D est protégé par du graphite.

Cette configuration a permis aux chercheurs de collecter des échantillons dans des sondes spéciales insérées temporairement dans la chambre pour mesurer le flux d’impuretés entrant et sortant de l’armure de la cuve, ce qui pourrait leur donner une idée plus précise de l’origine du tungstène qui avait fui du divertor dans la chambre.

« L’utilisation de l’isotope enrichi nous a donné une empreinte digitale unique », a déclaré Unterberg.

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