Fusion nucléaire : ce métal protège les réacteurs des dommages causés par la réaction, selon le MIT

La fusion nucléaire nécessite de résister à des températures dépassant les 100 millions de degrés. Lorsque des atomes d’hydrogène sont placés dans des réacteurs tokamak, c’est seulement au prix d’une chaleur très élevée et d’une pression intense que la combinaison des particules est possible. Mais pour l’instant, les cuves des réacteurs tokamak où se déroule la réaction sont trop fragiles.

Un nouveau matériau pourrait toutefois nous rapprocher de la fusion nucléaire et de la source d’énergie quasi infinie qu’elle pourrait fournir. Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a vu une équipe de chercheurs utiliser des nanoparticules de certains composés métalliques pour recouvrir l’intérieur des réacteurs, rapporte Interesting Engineering.

Des conditions de chaleur extrêmes pour créer du plasma où les atomes fusionnent

Ces travaux ont été publiés dans la revue Acta Materalia. Ils détaillent que ce revêtement permet de retarder l’apparition de fissures sur la cuve du réacteur, qui peuvent durer entre six et douze mois d’utilisation. Ces dommages s’expliquent par la nature même de la réaction de fusion nucléaire.

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Pour déclencher la combinaison des atomes d’hydrogène, il faut atteindre un état gazeux particulier appelé plasma. Cela nécessite une température supérieure à celle du Soleil. Et cette chaleur augmente à mesure que la réaction se déroule.

Car lorsque deux atomes d’hydrogène se fusionnent pour former un seul atome d’hélium, un rayonnement est émis et endommage l’intérieur des réacteurs tokamak (reconnaissables à leur forme de donut). Cette fusion génère également de la chaleur, qui peut être absorbée à l’aide d’un fluide caloporteur. Cette récupération permet de créer de la vapeur qui peut être transformée en électricité.

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Les atomes d’hélium s’accumulent et finissent par endommager les cuves des réacteurs

Mais selon les matériaux utilisés pour construire la cuve du réacteur, les neutrons produits par la réaction de fusion peuvent traverser les parois. Cela peut entraîner la création de nouveaux atomes d’hélium, mais c’est très difficile à contrôler. Des zones dites d’atterrissage doivent être prévues pour les recueillir.

La meilleure façon de procéder est de s’appuyer sur les grains du métal utilisé pour fabriquer le réacteur. Si les atomes d’un métal s’alignent généralement de manière ordonnée, il arrive que certains ne le fassent pas, offrant une faible capacité à incorporer de l’hélium. Mais lorsqu’ils se rassemblent ainsi, les atomes forment des bulles d’hélium où les particules se repoussent et provoquent l’apparition de fissures.

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C’est dans ce contexte que la découverte des chercheurs du MIT pourrait changer la donne. L’idée est de recouvrir l’intérieur d’un réacteur avec des matériaux dont l’énergie de revêtement est inférieure à la limite de grain du métal. Cette technique permet d’éviter que l’hélium ne se fixe sur les joints d’un réservoir.

Le silicate de fer, l’élément le plus capable de protéger les réacteurs nucléaires

Parmi les 50 000 composés étudiés, 750 ont été sélectionnés par les chercheurs de l’équipe dirigée par Ju Li, professeur de science et d’ingénierie des matériaux. Ils ont été sélectionnés en fonction de leur robustesse mécanique, de leur non-réaction avec le métal du réacteur ou de leur incapacité à devenir radioactifs.

C’est sur cette base que le silicate de fer a été choisi pour revêtir l’intérieur des réacteurs de fusion nucléaire. Des études basées sur la diffraction des rayons X et le comptage des bulles d’hélium sur la cuve du réacteur ont permis de s’assurer que ce matériau disperse les agrégats d’atomes d’hélium loin des joints, assurant ainsi leur durée de vie plus longue.

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En incorporant seulement 1 % de silicate de fer dans le métal du réacteur, les chercheurs ont constaté que les bulles d’hélium étaient réduites de moitié et que leur taille diminuait d’environ 20 %. Pour garantir la fiabilité des cuves des réacteurs, les scientifiques du MIT ont veillé à rendre le silicate de fer compatible avec les imprimantes 3D. Cela devrait faciliter les interventions visant à améliorer les cuves des réacteurs tokamak.