Brique par brique, la fusion nucléaire se rapproche de la réalité. Dans une étude publiée fin janvier, les scientifiques de l’Institut polytechnique et de l’université d'État de Virginie et du Laboratoire National du Nord-Ouest Pacifique (PNNL) ont étudié comment la résistance du tungstène pourrait être améliorée. L’idée des chercheurs américains : renforcer, au travers d’un alliage de nickel et de fer, la ductilité du tungstène, c’est-à-dire sa capacité à ne pas casser lorsqu’on lui applique une force. Cet alliage dit lourd, qui copie la structure, à l'échelle nanométrique, d'un coquillage, pourrait être utilisé dans les réacteurs de fusion nucléaire.
L’étude fait suite à l’annonce par le Département de l’énergie américain, mi-décembre, que la National Ignition Facility (NIF), une installation de recherche publique opérée par le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie, a pour la première fois de l’histoire, atteint le point de "breakeven". Ce seuil de rentabilité énergétique signifie qu’une réaction de fusion nucléaire est capable de générer plus d’énergie qu’elle n’en a nécessité pour démarrer, et donc potentiellement de devenir une source nette d’énergie.
Avant d’en arriver là, de nombreuses avancées technologiques sont encore requises pour améliorer la performance des matériaux et la rentabilité de la filière. La découverte des chercheurs américains représente "une petite brique" dans cette direction, estime Marianne Richou, ingénieure au CEA.
Améliorer la résistance du tungstène à la chaleur
L'expérience menée au NIF a généré, le temps d'un clin d'oeil, une température de 150 millions de degrés Celsius. Soit dix fois plus qu'au centre du soleil. Afin de pouvoir exploiter une telle énergie et la transformer en électricité, les scientifiques doivent développer des réacteurs de fusion nucléaire avancés capables de résister à ces températures extrêmes... et aux conditions d'irradiation qui accompagnent ces réactions.
Son point de fusion très élevé (le plus haut de tous les éléments, à 3422 °C) rend le tungstène particulièrement adéquat dans un contexte de hautes températures. Il est d'ailleurs prévu pour équiper le divertor du réacteur expérimental ITER : l'élément qui doit évacuer la chaleur et l'hélium produits par la réaction. Et dont la surface peut atteindre 2 000°C. Cependant, le matériau peut aussi être très cassant. Le mélange de tungstène avec de petites quantités d’autres métaux, tels que le nickel et le fer, permet de créer un alliage plus résistant tout en conservant une température de fusion élevée.
Un alliage équivalent «est également testé en Europe sur ASDEX [une installation expérimentale de l'institut Max Plank], en Allemagne», informe Marianne Richou. Mais le laboratoire américain s'est appliqué à «caractériser» le matériau et a «analysé à l’échelle de l’atome, notamment par des techniques de microscopies, les raisons qui expliquent la ductilité de cet alliage», précise-t-elle. «Ils ont compris le mécanisme qui permet d’améliorer cette ductilité, continue la scientifique. Ainsi, ils apportent une brique dans la connaissance scientifique mondiale».
Ces travaux pourraient ainsi participer aux progrès du CEA dans le domaine, projette la chercheuse. Qui affirme que «s’il s’avère que cet alliage est utile, il est possible que le CEA décide de le tester dans WEST». Installé dans le centre de recherche de Cadarache, à proximité du chantier d'ITER, cet équipement est justement voué à tester le divertor du futur tokomak. La scientifique emet toutefois un doute: " La température de fusion des alliages NiFe est largement plus faible que celle du tungstène, ce qui peut poser problème pour leur utilisation. "
Evaluer la résistance de l'alliage de tungstène
Pour examiner de plus près la microstructure des alliages, les chercheurs américains se sont appuyés sur des techniques avancées de caractérisation des matériaux, telles que la microscopie électronique à transmission à balayage (MEB) pour observer leur structure atomique. Une technique qui utilise un fin faisceau d'électrons, émis par un canon à électrons composé de lentilles électromagnétiques permettant de focaliser le faisceau d'électrons sur l'échantillon.
Les physiciens ont également cartographié la composition à l’échelle nanométrique du matériau en utilisant une combinaison de spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS) et de tomographie par sonde atomique. Au sein de la structure, qui réplique à très petite échelle la forme d’un coquillage en nacre, l’alliage se compose de deux phases distinctes : une phase dite dure, composée de tungstène quasi pur, et une phase ductile, contenant un mélange de nickel, de fer et de tungstène.
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Les résultats de ces observations suggèrent que la haute résistance des alliages lourds de tungstène provient d’une excellente liaison entre ces deux phases. Reste que «si ces alliages biphasés doivent être utilisés à l’intérieur d’un réacteur nucléaire, il est nécessaire de les optimiser pour la sécurité et la longévité», a toutefois nuancé Jacob Haag, l’un des co-auteurs de la recherche.
A ce stade, il n’est donc pas certain que cet alliage puisse être utilisé dans les machines de fusion magnétique. La prochaine étape sera de «vérifier que le matériau résiste à tout ce qu’il doit subir : chargements mécanique et thermique, flux de particules…», précise Marianne Richou, qui travaille sur West.
Le CEA n'a d'ailleurs pas attendu les travaux américains pour se pencher sur le même type d'alliage. «Des développements de matériaux sont toujours nécessaires pour optimiser la durée de vie des composants, argue la chercheuse. C’est pourquoi dans notre institut, et en collaboration avec le CNRS, nous développons des matériaux qui permettent d’améliorer la ductilité, comme c’est le cas des matériaux tungstène nanostructurés.» Des recherches qui permettront d'optimiser le rendement d'un éventuel futur réacteur à fusion nucléaire commercial... et qui rappellent que la route est encore longue, et les défis scientifiques nombreux, avant d'en faire une réalité.
