Des chercheurs rapportent des alliages métalliques qui pourraient soutenir l'énergie de fusion nucléaire

24 janvier 2023

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par Sarah Wong, Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Fin 2022, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont annoncé avoir observé pour la toute première fois un gain net d'énergie grâce à la fusion nucléaire. Cette étape monumentale vers l'énergie de fusion représente un énorme bond en avant dans l'alimentation de nos foyers et de nos entreprises avec une source d'énergie neutre en carbone. Mais convertir cette réalisation scientifique en une source d'énergie pratique nécessite également de nouvelles technologies pour faire d'une société alimentée par la fusion une réalité.

Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et du Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech) contribuent à la réalisation de cet objectif grâce à leurs efforts de recherche sur les matériaux. Leurs travaux récents, publiés dans Scientific Reports, plaident en faveur des alliages lourds de tungstène et montrent comment ils peuvent être améliorés pour une utilisation dans les réacteurs de fusion nucléaire avancés en imitant la structure des coquillages.

"Il s'agit de la première étude à observer ces interfaces matérielles à de si petites échelles de longueur", a déclaré Jacob Haag, premier auteur du document de recherche. "Ce faisant, nous avons révélé certains des mécanismes fondamentaux qui régissent la ténacité et la durabilité des matériaux."

Le soleil, avec une température centrale d'environ 27 millions de degrés Fahrenheit, est alimenté par la fusion nucléaire. Ainsi, il n'est pas surprenant que les réactions de fusion produisent beaucoup de chaleur. Avant que les scientifiques puissent exploiter l'énergie de fusion comme source d'énergie, ils doivent créer des réacteurs de fusion nucléaire avancés capables de résister à des températures élevées et aux conditions d'irradiation qui accompagnent les réactions de fusion.

De tous les éléments sur Terre, le tungstène a l'un des points de fusion les plus élevés. Cela en fait un matériau particulièrement attractif pour une utilisation dans les réacteurs de fusion. Cependant, il peut aussi être très cassant. Le mélange de tungstène avec de petites quantités d'autres métaux, tels que le nickel et le fer, crée un alliage plus résistant que le tungstène seul tout en conservant sa température de fusion élevée.

Ce n'est pas seulement leur composition qui confère à ces alliages lourds de tungstène leurs propriétés - le traitement thermomécanique du matériau peut modifier des propriétés telles que la résistance à la traction et la ténacité à la rupture. Une technique particulière de laminage à chaud produit des microstructures dans des alliages lourds de tungstène qui imitent la structure de la nacre, également connue sous le nom de nacre, dans les coquillages. La nacre est connue pour faire preuve d'une force extraordinaire, en plus de ses belles couleurs irisées. Les équipes de recherche du PNNL et de Virginia Tech ont étudié ces alliages lourds de tungstène imitant la nacre pour des applications potentielles de fusion nucléaire.

"Nous voulions comprendre pourquoi ces matériaux présentent des propriétés mécaniques presque sans précédent dans le domaine des métaux et des alliages", a déclaré Haag.

Pour examiner de plus près la microstructure des alliages, Haag et son équipe ont utilisé des techniques avancées de caractérisation des matériaux, telles que la microscopie électronique à transmission à balayage pour observer la structure atomique. Ils ont également cartographié la composition à l'échelle nanométrique de l'interface matérielle en utilisant une combinaison de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie et de tomographie par sonde atomique.

Au sein de la structure semblable à la nacre, l'alliage lourd de tungstène se compose de deux phases distinctes : une phase "dure" de tungstène presque pur et une phase "ductile" contenant un mélange de nickel, de fer et de tungstène. Les résultats de la recherche suggèrent que la haute résistance des alliages lourds de tungstène provient d'une excellente liaison entre les phases dissemblables, y compris les phases "dures" et "ductiles" intimement liées.

"Alors que les deux phases distinctes créent un composite résistant, elles posent des défis importants dans la préparation d'échantillons de haute qualité pour la caractérisation", a déclaré Wahyu Setyawan, scientifique en informatique du PNNL et co-auteur de l'article. "Les membres de notre équipe ont fait un excellent travail, ce qui nous a permis de révéler la structure détaillée des limites d'interphase ainsi que la gradation chimique à travers ces limites."

L'étude démontre comment la structure cristalline, la géométrie et la chimie contribuent à des interfaces de matériaux solides dans les alliages lourds de tungstène. Il révèle également des mécanismes pour améliorer la conception et les propriétés des matériaux pour les applications de fusion.

"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 déclaré Haag.

Les résultats présentés dans cette étude sont déjà approfondis dans de nombreuses dimensions au sein du PNNL et dans la communauté de la recherche scientifique. Des recherches sur la modélisation multi-échelle des matériaux sont en cours au PNNL pour optimiser la structure, la chimie et tester la résistance des interfaces de matériaux dissemblables, ainsi que des investigations expérimentales pour observer le comportement de ces matériaux dans les conditions de température et d'irradiation extrêmes d'un réacteur de fusion.

"C'est une période passionnante pour l'énergie de fusion avec un regain d'intérêt de la part de la Maison Blanche et du secteur privé. La recherche que nous effectuons pour trouver des solutions matérielles pour des opérations prolongées est indispensable pour accélérer la réalisation de réacteurs à fusion." dit Setyawan.

Les autres auteurs du PNNL sont Jing Wang (anciennement du PNNL), Karen Kruska, Matthew Olszta, Charles Henager, Danny Edwards et Mitsu Murayama, qui détient également un poste conjoint avec Virginia Tech.

Plus d'information: JV Haag et al, Enquête sur la résistance interfaciale dans les alliages lourds de tungstène imitant la nacre pour les applications de fusion nucléaire, Scientific Reports (2023). DOI : 10.1038/s41598-022-26574-4

Informations sur la revue :Rapports scientifiques

Fourni par le laboratoire national du nord-ouest du Pacifique