Les alliages métalliques peuvent soutenir l'énergie de fusion nucléaire

PNNL

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Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont annoncé avoir observé pour la toute première fois un gain net dans l’énergie de fusion nucléaire fin 2022. La recherche constitue une étape importante vers l’énergie de fusion qui peut alimenter des millions de foyers et d’entreprises avec une énergie carbonée. source d'énergie neutre. Cependant, la conversion de cette réalisation en une source d’énergie nucléaire pratique nécessite des technologies innovantes pour donner vie à une société alimentée par la fusion.

Les scientifiques de l’Institut polytechnique et de l’Université d’État de Virginie, ainsi que du Pacific Northwest National Laboratory, s’efforcent de faire de cet objectif une réalité grâce à leurs efforts de recherche sur les matériaux. Leurs travaux récents publiés dans Scientific Reports incluaient le cas des alliages de tungstène et montraient comment le métal pouvait être amélioré pour être utilisé dans des réacteurs à fusion nucléaire avancés en copiant la structure d'un coquillage.

Jacob Haag, le premier auteur de la recherche, a déclaré qu'il s'agissait de la première étude sur de telles interfaces matérielles à des échelles de longueur trop petites. Il a ajouté qu’ils ont également révélé certains mécanismes fondamentaux qui régissent la résistance et la durabilité des matériaux.

Le soleil a une température centrale d'environ 27 millions de degrés Fahrenheit et est alimenté par la fusion nucléaire. Ainsi, le fait que les réactions de fusion nucléaire produisent beaucoup de chaleur est compréhensible. Avant que les scientifiques puissent exploiter l’énergie de ces réactions et la transformer en énergie, ils doivent développer des réacteurs de fusion nucléaire avancés capables de résister aux températures élevées et aux conditions d’irradiation qui se développent dans les réactions de fusion.

Le tungstène possède le point de fusion le plus élevé parmi tous les éléments disponibles sur la planète Terre. Cela en fait l’un des meilleurs matériaux pour les réacteurs à fusion nucléaire. Cependant, le métal peut aussi être fragile, ce qui permet de le mélanger avec d’autres métaux. Le mélanger avec d’autres métaux, tels que le fer et le nickel, peut aider à créer un alliage plus résistant que le tungstène tout en conservant ses propriétés de fusion élevées.

Ce n'est pas seulement la composition qui confère à ces alliages de tungstène leurs propriétés mais le traitement thermomécanique du métal qui conduit au développement de la ténacité et de la résistance à la traction.

À l’aide d’une méthode spécifique de laminage à chaud, des alliages lourds en tungstène ont été fabriqués avec des microstructures qui ressemblent à la nacre, ou nacre, trouvée dans les coquillages. La nacre est appréciée pour ses superbes couleurs irisées et sa force incroyable. Les alliages lourds de tungstène qui se rapprochent de la nacre ont été étudiés par les équipes de recherche du PNNL et de Virginia Tech pour des applications potentielles dans la fusion nucléaire.

NNehring/iStock

Selon Haag, "Nous avons cherché à savoir pourquoi ces matériaux possèdent des capacités mécaniques pratiquement inédites dans le domaine des métaux et des alliages".

Pour examiner la microstructure des alliages, Haag et son équipe ont utilisé des techniques avancées telles que la microscopie électronique à transmission par balayage pour analyser la structure atomique de l'alliage. En outre, ils ont également travaillé sur la cartographie de la composition des matériaux à l’échelle nanométrique en combinant la tomographie par sonde atomique et la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie.

L'alliage lourd de tungstène est composé de deux phases distinctes qui coexistent à l'intérieur de la structure semblable à la nacre : une phase « dure » qui est du tungstène presque pur et une phase « ductile » qui est composée d'une combinaison de nickel, de fer et de tungstène. Les résultats de l'étude mettent en évidence un excellent lien entre les différentes phases, y compris les phases « dures » et « ductiles » étroitement couplées, en tant que source de la haute résistance des alliages lourds de tungstène.

Selon Wahyu Setyawan, informaticien au PNNL et co-auteur de l'étude, « les deux étapes différentes génèrent un composite résistant, mais elles posent des obstacles majeurs à la génération d'échantillons de haute qualité pour la caractérisation. Cela nous a permis d'exposer les détails précis. structure des limites d'interphase et la gradation chimique à travers ces limites, grâce au superbe travail des membres de notre équipe.