Thread by @Gregdt1

#Fusion101
Suite de ma série sur la fusion. Après avoir discuté de l’extraction de la puissance, intéressons-nous aux matériaux. Quels matériaux peuvent supporter les conditions extrêmes de la fusion nucléaire ? Quelles propriétés doivent-il posséder ?

Tout d’abord, même si le plasma proche des surfaces est plus froid que les 150 millions °C du centre, les flux de chaleurs sont de l’ordre de 10MW/m2, et sont accompagnés de flux de particules très intenses, pouvant éroder le matériau, et de neutrons très énergétiques.

Le matériau idéal devrait avoir une grande conductivité thermique, de bonnes propriétés mécaniques, être résistant aux chocs thermiques, ne pas trop s’éroder, ne pas intéragir avec le tritium, ne pas s’activer sous l’impact neutronique… Un mouton à 5 pattes.

Historiquement, les premières machines étaient en verre car c’était facile à faire et on testait le concept. Rapidement, on est passé à des enceintes en acier qui supportaient des températures plus élevées. Les plasmas étaient très courts- quelques dizaines de millisecondes.

Afin de localiser les intéractions entre le plasma et les surfaces, le concept de limiteur fut inventé. Il s’agit d’une structure métallique définissant le rayon du plasma et protégeant la chambre à vide mais aussi les système de mesure. Les plasmas étaient alors circulaires

Les flux de chaleur étant élevés, les limiteurs étaient au départ fait en matériaux ‘réfractaires’, qui ont des points de fusion

Problème : un atome de tungstène possède 74 électrons. Quand il pénètre dans le plasma- un mélange d’électrons et d’ions- les électrons sont progressivement arrachés du tungstène ce qui consomme de l’énergie (refroidit le plasma) et le dilue, car on augmente le nombre d’électrons

Comme en plus le tungstène s’accumule au centre du plasma (lié aux propriétés du transport de particules), les profils de température pouvaient être ‘creux’ avec un plasma assez froid au cœur- et donc de mauvaises performances

Au fur et à mesure des années, un grand nombre de matériaux a été testé pour trouver un optimum. La liste est très longue et comprend des surprises. Le tokamak ORMAK aux USA a testé des limiteurs plaqués or !! (l’or est très peu réactif, parfait pour une enceinte à vide)

Un tournant majeur fut le développement du graphite- une forme de carbone- pour les réacteurs de fission. Graphite qui a la particularité très intéressante de ne pas fondre : il passe directement de l’état solide à gazeux. Cela le rend résistant à de très grands flux de chaleur

Les performances des plasmas se sont fortement améliorées. Mais le graphite n’est pas parfait, il est poreux et piège l’hydrogène (ou le tritium). Des techniques de conditionnement ont été développés avec des décharges de nettoyage entre chaque plasma.

Encore plus embêtant, le carbone réagit avec les particules du plasma pour former des molécules gazeuses (méthane par exemple). Ces molécules sont transportées par et à travers le plasma et se re-déposent dans des endroits difficiles d’accès accumulant du tritium.

Lors des expériences D-T à JET en 97, 35% du tritium injecté est resté piégée dans ce type de couches de carbone re-déposées. Or le tritium étant radioactif, seule une quantité limitée peut s’accumuler dans la chambre à vide- 1kg au maximum dans ITER.
urlz.fr/eXKj

Exit donc le carbone pour ITER. Certains esprits originaux (moi) ont tout de même testé une autre forme de carbone : le diamant !! Pourquoi ? Car le diamant est la matériau avec la meilleurs conductivité thermique. Les résultats ont été très intéressants
iopscience.iop.org/article/10.108…

ITER utilisera non pas un limiteur mais un divertor. Dans ce cas on ajoute une bobine dans le bas de la machine qui permet de défléchir les lignes de champ magnétique et de créer une zone d’interaction pour le plasma séparée du plasma très chaud. Les performances sont améliorées

ITER utilisera du tungstène pour le divertor et du beryllium pour la première paroi. Le beryllium est un métal léger qui pollue peu le plasma, a une bonne conductivité thermique mais une température de fusion assez basse (1287°C)
Environ 640m2 de beryllium et 200m2 de tungstène

@astropierre @MrBidouille @tgerbaud @laydgeur @iterorg @ITERwomen