Des matériaux avancés pourraient fournir des métaux plus durables pour les réacteurs à fusion

Pendant des décennies, la fusion nucléaire a été considérée comme la source d’énergie par excellence. Une centrale à fusion pourrait produire une énergie sans carbone à une échelle nécessaire pour lutter contre le changement climatique. Et elle pourrait être alimentée par du deutérium récupéré à partir d’une source pratiquement inépuisable : l’eau de mer.

Des décennies de travail et des milliards de dollars de financement de la recherche ont permis de nombreuses avancées, mais des défis demeurent. Pour Ju Li, professeur de science et d’ingénierie nucléaires au TEPCO et professeur de science et d’ingénierie des matériaux au MIT, il reste encore deux grands défis à relever.

La première consiste à construire une centrale à fusion qui génère plus d’énergie qu’elle n’en consomme ; autrement dit, qui produit une puissance nette. Les chercheurs du monde entier progressent vers cet objectif.

Le deuxième défi évoqué par Li semble simple : « Comment évacuer la chaleur ? » Mais comprendre le problème et trouver une solution sont loin d’être évidents.

Les recherches menées dans le cadre de la MIT Energy Initiative (MITEI) portent notamment sur le développement et les tests de matériaux avancés susceptibles de contribuer à relever ces défis, ainsi que de nombreux autres défis liés à la transition énergétique. La MITEI compte de nombreux membres corporatifs qui soutiennent les efforts du MIT pour faire progresser les technologies nécessaires à l’exploitation de l’énergie de fusion.

Le problème : l’abondance d’hélium, une force destructrice

La clé d’un réacteur à fusion réside dans un plasma surchauffé (un gaz ionisé) qui réagit à l’intérieur d’une enceinte à vide. Lorsque les atomes légers du plasma se combinent pour former des atomes plus lourds, ils libèrent des neutrons rapides à haute énergie cinétique qui traversent l’enceinte à vide environnante et pénètrent dans un liquide de refroidissement.

Au cours de ce processus, ces neutrons rapides perdent progressivement leur énergie en provoquant des dommages par radiation et en générant de la chaleur. La chaleur transférée au liquide de refroidissement est finalement utilisée pour produire de la vapeur qui entraîne une turbine génératrice d’électricité.

Le problème est de trouver un matériau pour l’enceinte à vide qui reste suffisamment résistant pour maintenir le plasma réactif et le liquide de refroidissement séparés, tout en permettant aux neutrons rapides de passer jusqu’au liquide de refroidissement.

Si l’on ne prend en compte que les dommages causés par les neutrons qui déplacent les atomes de leur position dans la structure métallique, l’enceinte à vide devrait durer une décennie entière. Cependant, selon les matériaux utilisés dans la fabrication de l’enceinte à vide, certaines projections indiquent que l’enceinte à vide ne durera que six à douze mois.

Pourquoi ? Les réacteurs à fission nucléaire actuels génèrent également des neutrons, et ces réacteurs durent bien plus d’un an.

La différence est que les neutrons de fusion possèdent une énergie cinétique beaucoup plus élevée que les neutrons de fission et, lorsqu’ils pénètrent les parois de l’enceinte à vide, certains d’entre eux interagissent avec les noyaux d’atomes du matériau structurel, libérant des particules qui se transforment rapidement en atomes d’hélium.

Il en résulte des centaines de fois plus d’atomes d’hélium que ceux présents dans un réacteur à fission. Ces atomes d’hélium cherchent un endroit où atterrir, un endroit avec une faible « énergie d’encastrement », une mesure qui indique la quantité d’énergie nécessaire à un atome d’hélium pour être absorbé.

Comme l’explique Li, « les atomes d’hélium aiment se déplacer vers des endroits où l’énergie d’enrobage de l’hélium est faible ». Et dans les métaux utilisés dans les enceintes à vide de fusion, il existe des endroits où l’énergie d’enrobage de l’hélium est relativement faible, à savoir des ouvertures naturelles appelées joints de grains.

Les métaux sont constitués de grains individuels à l’intérieur desquels les atomes sont alignés de manière ordonnée. Là où les grains se rejoignent, il existe des espaces où les atomes ne s’alignent pas aussi bien. Cet espace ouvert a une énergie d’enrobage de l’hélium relativement faible, de sorte que les atomes d’hélium s’y rassemblent.

Pire encore, les atomes d’hélium ont une interaction répulsive avec d’autres atomes, de sorte qu’ils poussent la limite des grains vers l’extérieur. Au fil du temps, l’ouverture se transforme en une fissure continue et l’enceinte à vide se brise.

Cette congrégation d’atomes d’hélium explique pourquoi la structure se détériore beaucoup plus tôt que prévu, compte tenu du nombre d’atomes d’hélium présents. Li propose une analogie pour illustrer ce point.

« Babylone est une ville d’un million d’habitants. Mais on prétend que 100 personnes mal intentionnées peuvent détruire toute la ville – si toutes ces personnes mal intentionnées travaillent à la mairie. » La solution ? Offrir à ces personnes mal intentionnées d’autres endroits plus attrayants où aller, idéalement dans leurs propres villages.

Pour Li, le problème et la solution possible sont les mêmes dans un réacteur à fusion. Si plusieurs atomes d’hélium se dirigent simultanément vers la limite des grains, ils peuvent détruire la paroi métallique.

La solution ? Ajouter une petite quantité d’un matériau dont l’énergie d’inclusion de l’hélium est encore plus faible que celle de la limite des grains. Au cours des deux dernières années, Li et son équipe ont démontré, à la fois théoriquement et expérimentalement, que leur tactique de diversion fonctionne.

En ajoutant des particules nanométriques d’un deuxième matériau soigneusement sélectionné à la paroi métallique, ils ont découvert qu’ils pouvaient empêcher les atomes d’hélium qui se forment de se rassembler dans les limites de grains structurellement vulnérables du métal.

À la recherche de composés absorbant l’hélium

Pour tester leur idée, So Yeon Kim ScD du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux et Haowei Xu Ph.D. du Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires ont acquis un échantillon composé de deux matériaux, ou « phases », l’une ayant une énergie d’enrobage de l’hélium plus faible que l’autre. L’étude est publiée dans Acta Materialia.

Ils ont ensuite implanté des ions d’hélium dans l’échantillon à une température similaire à celle d’un réacteur à fusion et ont observé la formation de bulles d’hélium. Les images obtenues au microscope électronique à transmission ont confirmé que les bulles d’hélium se produisaient principalement dans la phase ayant l’énergie d’enrobage la plus faible. Comme le note Li, « tous les dommages se situent dans cette phase, ce qui prouve qu’elle a protégé la phase ayant l’énergie d’enrobage la plus élevée ».

Après avoir confirmé leur approche, les chercheurs étaient prêts à rechercher des composés absorbant l’hélium qui fonctionneraient bien avec le fer, qui est souvent le principal métal des parois des enceintes à vide.

« Mais calculer l’énergie d’enrobage de l’hélium pour toutes sortes de matériaux différents serait une tâche fastidieuse et coûteuse », explique Kim. « Nous voulions trouver une mesure facile à calculer et un indicateur fiable de l’énergie d’enrobage de l’hélium. »

Ils ont trouvé une telle mesure : le « volume libre à l’échelle atomique », qui correspond en fait à la taille maximale de l’espace interne vacant disponible pour que les atomes d’hélium puissent potentiellement se déposer. « Il s’agit simplement du rayon de la plus grande sphère qui peut s’insérer dans une structure cristalline donnée », explique Kim. « C’est un calcul simple. »

L’examen d’une série de matériaux céramiques susceptibles d’absorber l’hélium a confirmé que le volume libre atomique est bien corrélé à l’énergie d’enrobage de l’hélium. De plus, de nombreuses céramiques étudiées ont un volume libre plus élevé, et donc une énergie d’enrobage plus faible, que les joints de grains.

Toutefois, pour identifier les options possibles pour l’application de la fusion nucléaire, la sélection devait inclure d’autres facteurs. Par exemple, en plus du volume atomique libre, une bonne seconde phase doit être mécaniquement robuste (capable de supporter une charge) ; elle ne doit pas devenir très radioactive en cas d’exposition aux neutrons ; et elle doit être compatible, mais pas trop proche, avec le métal environnant, de sorte qu’elle se disperse bien mais ne se dissolve pas dans le métal.

« Nous souhaitons disperser la phase céramique de manière uniforme dans le métal en vrac pour garantir que toutes les zones de joint de grain soient proches de la phase céramique dispersée afin qu’elle puisse protéger ces zones », explique Li. « Les deux phases doivent coexister pour que la céramique ne s’agglutine pas ou ne se dissolve pas totalement dans le fer. »

À l’aide de leurs outils d’analyse, Kim et Xu ont examiné environ 50 000 composés et identifié 750 candidats potentiels. Parmi ceux-ci, le silicate de fer était une bonne option pour l’inclusion dans une paroi de récipient à vide constituée principalement de fer.

Essais expérimentaux

Les chercheurs étaient prêts à examiner des échantillons en laboratoire. Pour fabriquer le matériau composite destiné aux démonstrations de validation de principe, Kim et ses collaborateurs ont dispersé des particules nanométriques de silicate de fer dans du fer et implanté de l’hélium dans ce matériau composite. Elle a pris des images de diffraction des rayons X (DRX) avant et après l’implantation de l’hélium et a également calculé les schémas de DRX.

Le rapport entre l’hélium implanté et le silicate de fer dispersé a été soigneusement contrôlé pour permettre une comparaison directe entre les modèles de DRX expérimentaux et calculés. L’intensité de DRX mesurée a changé avec l’implantation de l’hélium exactement comme les calculs l’avaient prédit. « Cet accord confirme que l’hélium atomique est stocké dans le réseau massif du silicate de fer », explique Kim.

Pour poursuivre, Kim a compté directement le nombre de bulles d’hélium dans le composite. Dans les échantillons de fer sans ajout de silicate de fer, les joints de grains étaient flanqués de nombreuses bulles d’hélium.

En revanche, dans les échantillons de fer avec la phase céramique de silicate de fer ajoutée, les bulles d’hélium étaient réparties dans tout le matériau, avec beaucoup moins de bulles se produisant le long des joints de grains.

Ainsi, le silicate de fer avait fourni des sites avec une faible énergie d’inclusion d’hélium qui attirait les atomes d’hélium loin des joints de grains, protégeant ces ouvertures vulnérables et empêchant les fissures de s’ouvrir et de provoquer une défaillance catastrophique de l’enceinte à vide.

Les chercheurs concluent qu’ajouter seulement 1 % (en volume) de silicate de fer aux parois en fer de la chambre à vide réduira le nombre de bulles d’hélium de moitié et réduira également leur diamètre de 20 % – « et avoir beaucoup de petites bulles est acceptable si elles ne se trouvent pas dans les limites des grains », explique Li.

Prochaines étapes

Jusqu’à présent, Li et son équipe sont passés des études informatiques du problème et d’une possible solution à des démonstrations expérimentales qui confirment leur approche. Et ils sont sur la bonne voie pour la fabrication commerciale des composants.

« Nous avons fabriqué des poudres compatibles avec les imprimantes 3D commerciales existantes et préchargées avec des céramiques absorbant l’hélium », explique Li. Les nanoparticules absorbant l’hélium sont bien dispersées et devraient fournir une absorption d’hélium suffisante pour protéger les joints de grains vulnérables dans les métaux structurels des parois du récipient.

Bien que Li confirme qu’il reste encore du travail scientifique et d’ingénierie à faire, lui, ainsi qu’Alexander O’Brien Ph.D. du Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires et Kang Pyo So, un ancien postdoctorant du même département, ont déjà développé une start-up prête à imprimer en 3D des matériaux structurels capables de relever tous les défis auxquels est confrontée la cuve à vide à l’intérieur d’un réacteur à fusion.

Cet article est republié avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.