Une équipe développe un alliage pour stimuler l'énergie de fusion

13 juin 2023

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par Laboratoire national de Los Alamos

Un alliage à base de tungstène nouvellement développé qui fonctionne bien dans des environnements extrêmes similaires à ceux des prototypes de réacteurs à fusion pourrait aider à exploiter l’énergie de fusion.

"Le nouvel alliage présente une résistance et une stabilité prometteuses à l'irradiation dans des températures élevées et des environnements d'irradiation extrêmes utilisés pour représenter un environnement de réacteur à fusion", a déclaré Osman El Atwani, scientifique au Laboratoire national de Los Alamos.

"Le développement de cet alliage, et l'accord entre la modélisation et l'expérimentation qu'il représente, ouvre la voie au développement d'autres alliages utiles, une étape essentielle pour rendre la production d'énergie par fusion plus robuste, plus rentable, économiquement prévisible et attrayante pour les investisseurs. ".

À mesure que les concepts d’énergie de fusion se rapprochent du monde réel, il est impératif de résoudre le défi des matériaux. Les résultats encourageants indiquent qu'un paradigme de conception, tel que décrit par El Atwani et ses collaborateurs, et des alliages à haute entropie pourraient être prêts à jouer leur rôle dans l'exploitation des promesses de la fusion.

El Atwani était le chercheur principal du projet, qui impliquait plusieurs institutions nationales et internationales. Leurs résultats ont été publiés en mai dans Nature Communications.

La production d’énergie propre par fusion nécessite des matériaux capables de résister aux conditions difficiles – températures élevées, irradiation (exposition à des rayonnements neutroniques de haute énergie et aux flux de particules d’hélium) et au stress – associées aux réactions de fusion qui brûlent plus chaud que le soleil.

El Atwani et ses collaborateurs ont développé un alliage nanocristallin à haute entropie, un alliage composé de cinq éléments ou plus, avec une forme cristalline à l'échelle nanométrique (atomique). Le tungstène, un élément de choix étudié depuis longtemps pour les composants confrontés au plasma, est l'élément principal de l'alliage.

Malheureusement, les matériaux de tungstène actuels sont limités dans leur viabilité en tant que composants face au plasma, car le matériau se dégrade et se déforme dans des conditions de fusion. Pour développer des matériaux plus adaptés à la fusion, l'équipe de recherche a utilisé des calculs de propriétés thermophysiques, des méthodes informatiques avancées et des simulations réalisées dans plusieurs institutions, notamment Los Alamos, l'Autorité de l'énergie atomique du Royaume-Uni, l'Université de Clemson et l'Université de Varsovie.

En fin de compte, l'élément hafnium a été choisi pour le mélange d'alliages sur la base des performances prédites par la modélisation et les simulations.

Après avoir fabriqué des films de l'alliage au Centre de nanotechnologies intégrées de Los Alamos, une version du matériau a été irradiée au Laboratoire national d'Argonne. Une autre version a été irradiée au Laboratoire de matériaux par faisceaux d'ions à Los Alamos. Des techniques avancées, notamment la microscopie électronique à transmission in situ, montrent que l'alliage a bien résisté à ces conditions expérimentales difficiles, qui reproduisent un prototype d'énergie nucléaire à fusion.