Les ingénieurs ont mis en œuvre une technologie de revêtement par projection à froid pour créer un matériau robuste capable de résister aux conditions rigoureuses dans un réacteur de fusion. Cette découverte pourrait faciliter la conception de réacteurs de fusion compacts plus efficaces, plus faciles à réparer et à entretenir.
La communauté de la fusion est activement à la recherche de nouvelles méthodes de fabrication pour produire économiquement de grands composants face au plasma dans les réacteurs de fusion.
La technologie mise en avant par les chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison montre des améliorations significatives par rapport aux approches actuelles. Ils sont les premiers à démontrer les avantages de l’utilisation de la technologie de revêtement par projection à froid pour les applications de fusion.
Le processus de projection à froid
Les chercheurs ont utilisé un processus de projection à froid pour déposer un revêtement de tantale, un métal qui peut résister à des températures élevées, sur de l’acier inoxydable. Ils ont testé leur revêtement de tantale par projection à froid dans les conditions extrêmes pertinentes pour un réacteur de fusion et ont constaté qu’il se comportait très bien.
De plus, ils ont découvert que le matériau est exceptionnellement bon pour piéger les particules d’hydrogène, ce qui est bénéfique pour les dispositifs de fusion compacts.
« Nous avons découvert que le revêtement de tantale par projection à froid absorbe beaucoup plus d’hydrogène que le tantale en bloc en raison de la microstructure unique du revêtement », explique Kumar Sridharan, professeur d’ingénierie nucléaire et de physique de l’ingénierie et de science des matériaux. « La simplicité du processus de projection à froid le rend très pratique pour les applications. »
Le défi de la fusion
Dans les dispositifs de fusion, le plasma – un gaz d’hydrogène ionisé – est chauffé à des températures extrêmement élevées et les noyaux atomiques dans le plasma entrent en collision et fusionnent. Ce processus de fusion produit de l’énergie. Cependant, certains ions d’hydrogène peuvent se neutraliser 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 réalisation d’un petit réacteur de fusion efficace », explique Mykola Ialovega, qui travaille dans le groupe de recherche d’Oliver Schmitz, professeur d’ingénierie nucléaire et de physique de l’ingénierie.
Le tantale, un allié précieux
C’est pourquoi les chercheurs ont cherché à créer une nouvelle surface pour les parois des réacteurs face au plasma qui pourrait piéger les particules d’hydrogène lorsqu’elles entrent en collision avec les parois. Le tantale est intrinsèquement bon pour absorber l’hydrogène – et les chercheurs soupçonnaient que la création d’un revêtement de tantale à l’aide d’un processus de projection à froid augmenterait encore plus ses capacités de piégeage de l’hydrogène.
La création d’un revêtement par projection à froid est un peu comme l’utilisation d’une bombe de peinture en aérosol. Il consiste à propulser des particules du matériau de revêtement à des vitesses supersoniques sur une surface. Lors de l’impact, les particules s’aplatissent comme des crêpes et recouvrent toute la surface, 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.
Mykola Ialovega a mené des expériences sur le matériau revêtu dans des installations à l’Université d’Aix Marseille en France et à Forschungszentrum Jülich en Allemagne. Au cours de ces expériences, il a constaté que lorsqu’il chauffait le matériau à une température plus élevée, il expulsait les particules d’hydrogène piégées sans modifier les revêtements – un processus qui régénère essentiellement le matériau pour qu’il puisse être réutilisé.
« Un autre grand avantage de la méthode de projection à froid est qu’elle nous permet de réparer les composants du réacteur sur place en appliquant un nouveau revêtement », ajoute Ialovega. « Actuellement, les composants du réacteur endommagés doivent souvent être retirés et remplacés par une pièce entièrement nouvelle, ce qui est coûteux et prend du temps. »
Vers l’avenir
Les chercheurs prévoient d’utiliser leur nouveau matériau dans le Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror (WHAM). Ce dispositif expérimental est en construction près de Madison, dans le Wisconsin, et servira de prototype pour une future centrale de fusion de nouvelle génération que la spin-off de l’UW-Madison, Realta Fusion, vise à développer. Le projet WHAM est un partenariat entre l’UW-Madison, le Massachusetts Institute of Technology et Commonwealth Fusion Systems.
« Créer un composite de métal réfractaire avec ces caractéristiques de gestion bien contrôlée de l’hydrogène, combinées à une résistance à l’érosion et à une résilience générale du matériau, est une réalisation majeure pour la conception de dispositifs à plasma et de systèmes d’énergie de fusion », déclare Schmitz. « La perspective de changer l’alliage et d’inclure d’autres métaux réfractaires pour améliorer le composite pour les applications nucléaires est particulièrement excitante. »
En synthèse
La technologie de revêtement par projection à froid pourrait révolutionner la conception des réacteurs de fusion. En créant un revêtement de tantale sur de l’acier inoxydable, les chercheurs ont développé un matériau qui peut non seulement résister aux conditions extrêmes d’un réacteur de fusion, mais aussi piéger efficacement les particules d’hydrogène, améliorant ainsi l’efficacité des dispositifs de fusion.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la technologie de revêtement par projection à froid ?
Il s’agit d’une méthode qui consiste à propulser des particules de matériau de revêtement à des vitesses supersoniques sur une surface. Lors de l’impact, les particules s’aplatissent et recouvrent toute la surface, tout en préservant les limites nanométriques entre les particules de revêtement.
Pourquoi le tantale est-il utilisé dans ce processus ?
Le tantale est un métal qui peut résister à des températures élevées et qui est intrinsèquement bon pour absorber l’hydrogène. Les chercheurs ont découvert que la création d’un revêtement de tantale à l’aide d’un processus de projection à froid augmentait encore plus ses capacités de piégeage de l’hydrogène.
Quels sont les avantages de cette nouvelle méthode ?
Outre la résistance aux conditions extrêmes d’un réacteur de fusion, le matériau développé est capable de piéger efficacement les particules d’hydrogène, ce qui améliore l’efficacité des dispositifs de fusion. De plus, la méthode de projection à froid permet de réparer les composants du réacteur sur place en appliquant un nouveau revêtement, ce qui peut réduire les coûts et le temps nécessaires pour remplacer les pièces endommagées.
Quelles sont les applications futures de cette découverte ?
Les chercheurs prévoient d’utiliser leur nouveau matériau dans le Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror (WHAM), un dispositif expérimental qui servira de prototype pour une future centrale de fusion de nouvelle génération. Cette découverte pourrait également ouvrir la voie à des avancées significatives dans le domaine de l’énergie de fusion.
Quels sont les partenaires impliqués dans le projet WHAM ?
Le projet WHAM est un partenariat entre l’Université du Wisconsin-Madison, le Massachusetts Institute of Technology et Commonwealth Fusion Systems.
Références
Légende de l’image : Les étudiants diplômés Evan Willing (à gauche) et Tyler Dabney installent l’équipement nécessaire à l’application d’un revêtement par pulvérisation à froid dans le laboratoire de pulvérisation à froid du professeur Kumar Sridharan. Photo : Joel Hallberg.
University of Wisconsin-Madison. (2023). Cold spray coating technology produces workhorse material for fusion reactors.
