Une stratégie de programme national de recherche sur l’utilisation des métaux liquides dans les systèmes de fusion a été discutée le 22 janvier au Département de l’Énergie (DOE) des États-Unis, au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL). Cette réunion, la première du genre, a également fourni des informations précieuses sur les besoins en infrastructure des métaux liquides, ainsi que sur les lacunes technologiques et scientifiques actuelles, décrites dans la Feuille de route pour la science et la technologie de la fusion du DOE publiée en octobre 2025.
Les recherches suggèrent que les métaux liquides pourraient protéger les composants directement exposés à la chaleur intense du plasma et améliorer les performances des systèmes de fusion. En partie grâce à son expertise solide en métaux liquides, le PPPL a été choisi comme site d’accueil de la réunion. Plus de 75 personnes ont participé en présentiel et en ligne, notamment des chercheurs de laboratoires nationaux américains, d’universités, du personnel du DOE et des dirigeants du secteur privé de la fusion.
« Notre Feuille de route a identifié les métaux liquides comme une technologie potentiellement révolutionnaire sur la voie de la réalisation de l’énergie de fusion. Vos idées et votre expertise aideront à définir ce qui est nécessaire pour un programme américain de métaux liquides de premier plan mondial », a déclaré Jean Paul Allain, directeur associé du FES, à l’auditoire.
L’objectif ultime du DOE est de soutenir une industrie américaine de l’énergie de fusion compétitive, et la démonstration de centrales à fusion dans ce pays est une étape critique. La fusion pourrait fournir une source stable d’électricité pour diversifier le réseau électrique et assurer l’indépendance énergétique de l’Amérique. Une façon d’exploiter cette énergie implique un vaisseau en forme de beignet appelé tokamak, qui confine des particules de matière chargée électriquement, appelées plasma, à l’aide de champs magnétiques, créant des conditions qui font fusionner les particules de plasma et libèrent de l’énergie. Affiner les idées sur les meilleures façons d’utiliser les métaux liquides dans les tokamaks est un aspect important de la recherche sur la fusion.
Du laboratoire au réseau électrique
« Nous sommes ici pour réfléchir à ce que le programme public peut offrir pour nous aider à remporter non seulement la course à l’énergie de fusion, pas seulement à livrer la première centrale, mais la première centrale économiquement compétitive et une industrie économiquement compétitive », a expliqué Heather Jackson, directrice de division pour la Science et les Partenariats permettant la Fusion au FES et organisatrice de la première journée de la réunion.
Josh King, chef de programme au FES du DOE et organisateur de la deuxième journée de la réunion, a remercié les entreprises de fusion du secteur privé pour leurs contributions. « Écouter directement les entreprises privées — qu’elles explorent actuellement les métaux liquides pour leurs systèmes de fusion ou qu’elles hésitent encore et ne les voient pas dans leur feuille de route actuellement — nous aide à comprendre l’ensemble du paysage des besoins de recherche et à identifier où les investissements auront le plus grand impact », a souligné King.
Le PPPL apporte une vaste expertise en recherche sur les métaux liquides :
Le PPPL est un leader dans la recherche sur les métaux liquides pour les applications de fusion, avec un accent particulier sur le lithium liquide, en collaboration avec des partenaires publics et privés du monde entier. Le PPPL dirige également une collaboration nationale Fusion Innovation Research Engine pour faire progresser la technologie et la science des métaux liquides. L’expérience de fusion principale du PPPL, le National Spherical Torus Experiment-Upgrade, est destinée à servir éventuellement de banc d’essai pour les composants en métal liquide.
« Transférer la technologie du lithium liquide du laboratoire à un réseau électrique à fusion nécessite de construire une infrastructure significative : des installations d’essai supplémentaires pour valider le comportement des métaux liquides dans des champs magnétiques intenses et sous un bombardement plasma intense, des méthodes fiables pour extraire et purifier efficacement le tritium, combustible de fusion, du lithium en écoulement, et une chaîne d’approvisionnement nationale pour les matériaux spécialisés que ces systèmes nécessitent », a indiqué Rajesh Maingi, responsable de la science expérimentale des tokamaks au PPPL. « Avec des décennies de recherche sur les métaux liquides, le PPPL est bien placé pour aider à construire ces fondations. »
Les travaux du PPPL sur les métaux liquides comprennent actuellement les projets suivants
Lithium Tokamak Experiment-𝛽 : Ce petit tokamak en forme de beignet a déjà fourni de nombreuses informations sur les effets des revêtements en métal liquide dans les tokamaks, car ses parois peuvent être presque entièrement recouvertes de lithium liquide.
Développement du diviseur à vapeur de lithium : Le diviseur à vapeur de lithium vise à réduire le flux de chaleur plasma très élevé qui autrement ferait fondre les parois solides d’un système de fusion. L’objectif de ces expériences est de mesurer comment la génération de vapeur de lithium change avec la température de surface et les impuretés.
Expérience d’exposition et d’interaction au lithium (LEXI) : L’une des plus récentes expériences sur métaux liquides du laboratoire, LEXI révèle comment le lithium liquide interagit avec les métaux et les structures poreuses qui le contiennent. LEXI maintient plus de 100 grammes de lithium liquide à des températures supérieures à 300 degrés Celsius pendant plus de 600 heures, permettant aux chercheurs d’observer comment les matériaux changent au fil du temps lorsqu’ils sont immergés dans le volume massif de ce métal réactif. Cette installation est maintenant opérationnelle et disponible pour les chercheurs.
Travaux théoriques : Les scientifiques mènent des travaux théoriques sur les couvertures en métal liquide pour capter la chaleur de la fusion, les interactions plasma-paroi et les écoulements de métal liquide dans les champs magnétiques.
Les projets sur les métaux liquides récemment initiés au PPPL incluent :
Centrifugeuse magnétique à lithium liquide : La centrifugeuse magnétique à lithium liquide permettra aux chercheurs d’étudier comment séparer les variétés d’atomes d’hydrogène, le protium et le deutérium, du lithium liquide. Cette technologie est essentielle pour concevoir un futur système de fusion et utilisera les principes testés dans la centrifugeuse à métal liquide décrite ci-dessous.
Développement de diagnostics ultrasonores pour métaux liquides : Ce nouveau système permettra de mesurer la vitesse d’écoulement du métal liquide sans avoir besoin de caméras visibles. Le premier système sera testé avec du Galinstan, un métal liquide de substitution au lithium, et les versions futures fonctionneront avec le lithium liquide.
Programme d’application expérimentale au lithium (LEAP) : Il s’agit de la première d’une série de plateformes qui permettront aux scientifiques d’étudier le comportement du métal liquide dans des conditions qui reproduisent celles projetées à l’intérieur des futurs systèmes de fusion. Pour atteindre cet objectif, LEAP manipulera 100 fois plus de lithium que le laboratoire n’a jamais été autorisé à stocker sur site. Avec cette quantité de lithium et une variété d’outils de mesure, le PPPL pourra tester divers concepts de composants face au plasma en métal liquide adaptés aux systèmes de fusion.
Source : Princeton U.
