Les ingénieurs de l’Université du Wisconsin-Madison ont utilisé une technologie de revêtement par pulvérisation pour produire un nouveau matériau performant able de résister aux problems difficiles à l’intérieur d’un réacteur à fusion.
Cette avancée, détaillée dans un article publié récemment dans la revue Physica Scripta, pourrait permettre de produire des réacteurs à fusion compacts moreover efficaces, as well as faciles à réparer et à entretenir.
« La communauté de la fusion recherche de toute urgence de nouvelles approches de fabrication pour produire de manière économique de gros composants facial area au plasma dans les réacteurs à fusion », déclare Mykola Ialovega, chercheuse postdoctorale en génie nucléaire et en génie physique à l’UW-Madison et auteur principal de l’article. « Notre technologie présente des améliorations considérables par rapport aux approches actuelles. Avec cette recherche, nous sommes les premiers à démontrer les avantages de l’utilisation de la technologie de revêtement par pulvérisation à froid pour les programs de fusion. »
Les chercheurs ont utilisé un procédé de pulvérisation à froid pour déposer une couche de tantale, un métal capable de résister à des températures élevées, sur l’acier inoxydable. Ils ont testé leur revêtement de tantale projeté à froid dans les problems extrêmes propres à un réacteur à fusion et ont constaté qu’il fonctionnait très bien. Furthermore vital encore, ils ont découvert que le matériau est exceptionnellement efficace pour piéger les particules d’hydrogène, ce qui est bénéfique pour les dispositifs de fusion compacts.
« Nous avons découvert que le revêtement de tantale pulvérisé à froid absorbe beaucoup moreover d’hydrogène que le tantale en vrac en raison de la microstructure one of a kind du revêtement », explique Kumar Sridharan, professeur de génie nucléaire, de génie physique et de science et ingénierie des matériaux. Au cours de la dernière décennie, le groupe de recherche de Sridharan a introduit la technologie de pulvérisation à froid dans la communauté de l’énergie nucléaire en la mettant en œuvre pour de multiples applications liées aux réacteurs à fission.
« La simplicité du processus de pulvérisation à froid le rend très pratique pour les applications », explique Sridharan.
Dans les dispositifs de fusion, le plasma – un gaz hydrogène ionisé – est chauffé à des températures extrêmement élevées, et les noyaux atomiques du plasma entrent en collision et fusionnent. Ce processus de fusion produit de l’énergie. Cependant, certains ions hydrogène peuvent être neutralisés et s’échapper du plasma.
« Ces particules neutres d’hydrogène provoquent des pertes de puissance dans le plasma, ce qui rend très difficile le maintien d’un plasma chaud et la mise en place d’un petit réacteur à fusion efficace », explique Ialovega, qui travaille dans le groupe de recherche d’Oliver Schmitz, professeur d’ingénierie nucléaire et physiques de l’ingenieur.
C’est pourquoi les chercheurs ont décidé de créer une nouvelle area pour les parois des réacteurs faisant experience au plasma, qui pourrait piéger les particules d’hydrogène lorsqu’elles entrent en collision avec les parois.
Le tantale est intrinsèquement efficace pour absorber l’hydrogène – et les chercheurs soupçonnaient que la création d’un revêtement de tantale à l’aide d’un processus de pulvérisation à froid augmenterait encore as well as ses capacités de piégeage de l’hydrogène.
Créer un revêtement pulvérisé à froid revient un peu à utiliser une bombe de peinture en aérosol. Il consiste à propulser des particules du matériau de revêtement à des vitesses supersoniques sur une surface area. Lors de l’impact, les particules s’aplatissent comme des crêpes et recouvrent toute la area, tout en préservant les limites nanométriques entre les particules de revêtement. Les chercheurs ont découvert que ces minuscules limites facilitent le piégeage des particules d’hydrogène.
Ialovega a mené des expériences sur le matériau enduit dans les installations de l’Université d’Aix Marseille en France et du Forschungszentrum Jülich GmbH en Allemagne. Au cours de ces expériences, il a découvert que lorsqu’il chauffait le matériau à une température moreover élevée, il expulsait les particules d’hydrogène piégées sans modifier les revêtements – un processus qui régénère essentiellement le matériau afin qu’il puisse être réutilisé.
« Un autre grand avantage de la méthode de pulvérisation à froid est qu’elle nous permet de réparer les composants du réacteur sur web-site en appliquant un nouveau revêtement », explique Ialovega. « Actuellement, les composants endommagés du réacteur doivent souvent être retirés et remplacés par une pièce entièrement neuve, ce qui est coûteux et prend du temps. »
Les chercheurs prévoient d’utiliser leur nouveau matériau dans le miroir axisymétrique Wisconsin HTS (WHAM). Le dispositif expérimental est en construction près de Madison, dans le Wisconsin, et servira de prototype pour une long term centrale à fusion de nouvelle génération que Realta Fusion, spin-off de l’UW-Madison, vise à développer. Installée au laboratoire des sciences physiques, l’expérience WHAM est un partenariat entre l’UW-Madison, le Massachusetts Institute of Know-how et Commonwealth Fusion Systems.
« La création d’un composite métallique réfractaire présentant ces caractéristiques de gestion bien contrôlée de l’hydrogène, combinées à une résistance à l’érosion et à une résilience générale des matériaux, constitue une avancée majeure pour la conception de dispositifs à plasma et de systèmes d’énergie de fusion », a déclaré Schmitz. « La perspective de changer d’alliage et d’inclure d’autres métaux réfractaires pour améliorer le composite pour les apps nucléaires est particulièrement intéressante. »
Les chercheurs brevetent leur technologie par l’intermédiaire de la Wisconsin Alumni Exploration Basis.
Oliver Schmitz est professeur Thomas et Suzanne Werner, doyen associé pour l’innovation en recherche à l’UW-Madison Faculty of Engineering et directeur du Grainger Institute of Engineering. Sridharan est professeur Grainger.
Les autres co-auteurs de l’article de l’UW-Madison incluent : Tyler Dabney, Marcos Navarro Gonzalez, Hwasung Yeom, Danah Velez, Evan Eager, Jay Anderson et Cary Forest. Thierry Angot et Régis Bisson de l’Université d’Aix Marseille en France, et Arkadi Kreter du Forschungszentrum Jülich GmbH en Allemagne sont également co-auteurs de l’article.
Le financement de démarrage de cette recherche provenait en partie du programme Research Forward de l’UW-Madison. Cette recherche a également été soutenue par des subventions de l’Advanced Exploration Tasks Company-Energy (ARPA-E) et du Département américain de l’énergie.
