fr.wedoany.com Rapport : Après des années de sélection des matériaux et de validation technique, le tungstène est devenu le choix dominant pour la conception des divertors des dispositifs de fusion magnétique internationaux actuels.
Cet article retrace l'évolution des matériaux face au plasma de fusion, analyse pourquoi le carbone a longtemps dominé puis a été progressivement abandonné, et explique pourquoi le tungstène est désormais la solution privilégiée pour les principaux dispositifs de fusion internationaux.
Dans les années 1980 et 1990, les matériaux à base de carbone étaient largement utilisés dans le domaine de la fusion magnétique. Des dispositifs tels que le Joint European Torus (JET), le Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) aux États-Unis et le JT-60U au Japon utilisaient couramment du graphite ou des composites à fibres de carbone comme matériaux principaux pour les composants face au plasma. Les matériaux carbonés offraient une excellente résistance aux chocs thermiques et un faible numéro atomique, ce qui leur conférait des performances remarquables dans les conditions expérimentales précoces. Cependant, lorsque la recherche sur la fusion est entrée dans la phase des réacteurs utilisant le combustible deutérium-tritium (D-T), les matériaux carbonés ont été confrontés au défi majeur de la rétention de combustible. Sous le bombardement du plasma, les matériaux carbonés subissent une pulvérisation chimique, produisant des hydrocarbures qui emprisonnent de grandes quantités de deutérium et de tritium lors du dépôt. Les résultats expérimentaux du JET et du DIII-D montrent que la codéposition est l'une des principales sources de rétention de tritium, avec des niveaux de rétention bien supérieurs à ceux autorisés pour les futurs réacteurs de fusion. Avec l'avènement d'ITER et des futures centrales à fusion, les critères d'évaluation des matériaux sont passés de la physique expérimentale au service du génie énergétique. Le contrôle de l'inventaire du tritium, la durabilité du cycle du combustible, la durée de vie des matériaux et la réglementation de sécurité sont devenus de nouveaux indicateurs clés, entraînant l'abandon progressif des matériaux carbonés.
En 2011, le JET, situé au Royaume-Uni, a achevé une mise à niveau majeure en remplaçant l'ensemble de ses parois internes en carbone par une paroi de type ITER (ITER-Like Wall, ILW), composée d'une première paroi en béryllium et d'un divertor en tungstène. Il s'agissait de la première validation systématique, à l'échelle internationale, de la solution de paroi métallique pour le projet ITER sur un grand tokamak. Les résultats expérimentaux montrent que, par rapport à la période des parois en carbone, la codéposition a été considérablement réduite après le remplacement par des parois métalliques, avec une diminution de la rétention de combustible d'environ un ordre de grandeur, atteignant une réduction de 10 à 20 fois dans certaines conditions de fonctionnement. Ces résultats démontrent clairement que les matériaux métalliques face au plasma peuvent réduire significativement l'inventaire de tritium, fournissant ainsi une base expérimentale importante pour l'établissement d'un cycle de combustible durable dans les futures centrales à fusion. Cependant, les expériences du JET-ILW ont également révélé de nouveaux défis opérationnels liés aux parois métalliques, notamment une dégradation initiale des performances de confinement de l'énergie du plasma et des problèmes de contrôle des impuretés de numéro atomique élevé (Z élevé). Le tungstène est un matériau typique à numéro atomique élevé (Z élevé). Même une faible quantité d'impuretés de tungstène pénétrant dans le plasma central entraîne des pertes par rayonnement bien supérieures à celles des éléments à faible Z. La concentration d'impuretés de tungstène dans la région centrale doit généralement être maintenue à l'ordre du ppm, voire moins. Globalement, les expériences du JET-ILW ont démontré la faisabilité technique d'un système de matériaux pour réacteurs basé sur des parois métalliques.
Le tungstène est devenu la solution dominante en raison de l'équilibre de ses performances globales. Avec un point de fusion de 3695 K, il peut supporter des flux thermiques stationnaires de l'ordre de 10 à 20 MW/m² grâce à une structure de refroidissement actif efficace. Le tungstène possède un seuil de pulvérisation physique plus élevé, ce qui entraîne un taux d'érosion plus faible, et ne subit pas de pulvérisation chimique significative comme le carbone, évitant ainsi un emprisonnement massif de combustible. Le niveau global de rétention des isotopes de l'hydrogène est nettement inférieur à celui des matériaux carbonés. Cependant, le tungstène n'est pas un matériau idéal ; il est confronté à des problèmes de fragilisation à haute température et de recristallisation. Un fonctionnement prolongé à haute température (généralement au-dessus de 1200 à 1300 degrés Celsius) provoque la recristallisation du tungstène, augmentant sa fragilité. Sous un bombardement continu d'ions hélium, lorsque la température du matériau se situe entre environ 900 et 2000 kelvins, une structure nanofibreuse appelée « W-fuzz » (duvet de tungstène) peut se former à la surface du tungstène. Ces structures peuvent se détacher, formant des poussières métalliques et affectant les propriétés de transfert thermique. Actuellement, la communauté internationale de la fusion estime qu'il est difficile de résoudre fondamentalement le problème d'évacuation de la chaleur des futurs réacteurs à fusion en se contentant d'améliorer les propriétés des matériaux. Les percées futures proviendront probablement d'un développement coordonné dans plusieurs directions, notamment les matériaux, la conception structurelle du divertor, l'optimisation de la configuration magnétique et le contrôle opérationnel.
Actuellement, la plupart des entreprises commerciales de fusion magnétique ayant divulgué leurs conceptions continuent d'utiliser le tungstène comme matériau pour le divertor, notamment China Fusion Company, Fusion New Energy, CFS, Tokamak Energy et Type One Energy. À ce jour, aucune entreprise majeure de fusion magnétique n'a proposé de solution de matériau solide mature face au plasma capable de remplacer complètement le tungstène. En rétrospective, l'évolution des matériaux pour divertor ne consiste pas à rechercher constamment des matériaux aux performances supérieures, mais plutôt à trouver des solutions techniques toujours mieux adaptées aux exigences opérationnelles des réacteurs à fusion. Le passage du carbone au tungstène reflète l'évolution du système d'évaluation de la recherche sur la fusion, passant de la physique expérimentale au génie énergétique. Alors que les matériaux solides approchent de leurs limites de flux thermique, la communauté de la fusion commence à se tourner vers de nouvelles directions, telles que les configurations avancées de divertor, le contrôle actif du flux thermique et les matériaux liquides face au plasma.
