Matériaux de recherche pour la recherche en énergie de fusion

Contrairement à la fission nucléaire conventionnelle, qui repose sur la division de noyaux atomiques lourds, la fusion génère de l’énergie en fusionnant des noyaux atomiques légers, offrant une source d’énergie propre et quasi illimitée.

Cependant, les conditions extrêmes à l’intérieur d’un réacteur à fusion posent des défis matériels sans précédent, nécessitant des métaux et matériaux avancés conçus pour la durabilité, la stabilité et l’efficacité.

Chez Advent Research Materials, nous fournissons des métaux, alliages et polymères de haute pureté essentiels aux applications de recherche en fusion.

Nos matériaux soutiennent des domaines critiques tels que les composants en contact avec le plasma, la containment des isotopes d’hydrogène et les matériaux structuraux des réacteurs, permettant aux scientifiques et ingénieurs de repousser les limites de la technologie de fusion.

Principaux défis des matériaux pour l’énergie de fusion

Les réacteurs à fusion, y compris les installations expérimentales comme ITER (Réacteur Thermonucléaire Expérimental International), nécessitent des matériaux capables de résister aux conditions suivantes :

• Températures extrêmes – Le plasma dans un tokamak ou un stellarator peut dépasser 100 millions de degrés Celsius, nécessitant des matériaux à haute température de fusion et stables thermiquement.

  En réalité, certains réacteurs expérimentaux de fusion, tels que le JET (Joint European Torus) et ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor),

  visent à maintenir un plasma à des températures supérieures à 150 millions de degrés Celsius — plus chaudes encore que le noyau du soleil !

  Ces températures extrêmes sont nécessaires car les réactions de fusion exigent que les isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium) surmontent leur répulsion électrostatique naturelle. Plus le plasma est chaud, plus ces particules ont de chances de se percuter et de fusionner, libérant ainsi de l’énergie.

• Exposition élevée aux radiations – Les neutrons produits lors des réactions de fusion entraînent la dégradation des matériaux, nécessitant des métaux et composites résistants aux radiations.
• Gestion de l’hydrogène et du tritium – Les matériaux doivent contenir et gérer efficacement les isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium), carburants essentiels des réactions de fusion.
• Composants en contact avec le plasma (PFC) – Les parois internes du réacteur doivent résister à l’érosion, à l’embrittlement et aux interactions avec le plasma, tout en conservant une conductivité thermique optimale.

Tokamaks et recherche sur la fusion à Oxford

Un tokamak est l’un des concepts les plus avancés pour atteindre une fusion nucléaire contrôlée.

Il s’agit d’une chambre en forme de tore (en forme de beignet) qui utilise des champs magnétiques puissants pour confiner et stabiliser un plasma surchauffé, permettant ainsi les réactions de fusion.

L’objectif est de reproduire le même processus qui alimente le soleil, où les isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium) fusionnent à des températures extrêmes, libérant d’énormes quantités d’énergie.

À l’intérieur d’un tokamak, les isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium) sont chauffés à des températures extrêmes, formant un plasma où se produit la fusion, libérant d’énormes quantités d’énergie.

Le défi principal est de maintenir le plasma confiné et stable suffisamment longtemps pour soutenir la production d’énergie. Des champs magnétiques, générés par des bobines externes, créent une barrière empêchant le plasma de toucher les parois du réacteur, préservant ainsi les conditions extrêmes nécessaires à la fusion. Cette énergie peut ensuite être convertie en électricité, offrant une source d’énergie plus propre et durable comparée à la fission nucléaire conventionnelle.

Une variante de ce concept, le tokamak sphérique, présente une forme plus compacte, ressemblant à une pomme évidée plutôt qu’à un tore classique en forme de beignet. Ce design est étudié pour son potentiel à améliorer l’efficacité, renforcer la stabilité du plasma et réduire la taille des futurs réacteurs à fusion.

Pour en savoir plus, regardez cette vidéo de Tokamak Energy expliquant les concepts de tokamak et les avantages des tokamaks sphériques.

Recherche sur la fusion à Oxford : faire avancer l’énergie de demain

Oxford est devenue un centre mondial de recherche sur l’énergie de fusion, avec des avancées de pointe menées par des entreprises telles que Tokamak Energy et First Light Fusion.

Ces organisations innovent dans les réacteurs à fusion compacts et les approches alternatives de fusion, stimulant les progrès en confinement du plasma, blindage neutronique et matériaux haute performance.

Grâce à d’importants programmes de recherche et à l’investissement du secteur privé, Oxford façonne l’avenir de la fusion commerciale et démontre le potentiel d’une énergie propre et durable à grande échelle, avec des développements de pointe pilotés par des entreprises telles que Tokamak Energy et First Light Fusion.

Métaux et alliages pour la recherche en énergie de fusion

Pour relever ces défis, les métaux et alliages haute performance jouent un rôle crucial dans les composants des réacteurs à fusion :

• Tungstène (W) et alliages de tungstène

Utilisation : composants en contact avec le plasma (PFC), divertors et matériaux de première paroi.

Pourquoi ? Le tungstène possède un point de fusion exceptionnellement élevé (3422 °C), un faible rendement de pulvérisation et une excellente conductivité thermique, ce qui le rend idéal pour résister à la chaleur extrême et au bombardement neutronique.

• Cuivre (Cu) et alliages de cuivre

Utilisation : échangeurs de chaleur, systèmes de refroidissement, bobines et aimants supraconducteurs.

Pourquoi ? Le cuivre offre une conductivité thermique élevée et une dissipation efficace de la chaleur, essentielles pour les systèmes de refroidissement des réacteurs et la technologie des aimants à haute puissance. Ces aimants sont indispensables pour confiner le plasma dans les réacteurs à fusion. Un exemple notable est l’utilisation de matériaux en oxyde de cuivre et de baryum aux terres rares (ReBCO), comme l’oxyde de cuivre et de baryum à l’yttrium (YBCO), qui présentent une supraconductivité à des températures relativement élevées. Cette propriété permet de créer des champs magnétiques plus puissants nécessaires au confinement efficace du plasma.

• Nickel (Ni) et alliages de nickel

Utilisation : composants structurels et gestion des isotopes d’hydrogène.

Pourquoi ? Les alliages de nickel offrent une grande résistance à haute température et une excellente résistance à la corrosion, indispensables pour la performance à long terme des réacteurs.

• Zirconium (Zr) et alliages de zirconium

Utilisation : matériaux pour la production de tritium et composants structurels des réacteurs.

Pourquoi ? Le zirconium présente une faible section efficace d’absorption des neutrons, ce qui le rend adapté aux environnements neutroniques des réacteurs à fusion.

• Tantalum (Ta) et Niobium (Nb)

Utilisation : matériaux structuraux haute performance dans des environnements extrêmes.

Pourquoi ? Ces métaux réfractaires offrent une résistance supérieure à la chaleur, à la corrosion et aux dommages causés par les neutrons.

Gestion de l’hydrogène et du tritium : matériaux pour la containment des isotopes

Les réactions de fusion utilisent les isotopes deutérium et tritium comme carburant, rendant essentiels les matériaux perméables à l’hydrogène et de confinement pour garantir efficacité et sécurité. Les métaux haute performance pour le traitement du tritium comprennent :

• Palladium (Pd) et alliages de palladium – utilisés dans les membranes de purification de l’hydrogène en raison de leur haute sélectivité pour les isotopes d’hydrogène.
• Vanadium (V) et alliages de vanadium – présentent une grande perméabilité à l’hydrogène et une faible activation neutronique, les rendant adaptés aux systèmes d’extraction du tritium.
• Alliages fer-chrome-aluminium (Fe-Cr-Al) – offrent une excellente résistance à l’oxydation à haute température, garantissant une durabilité à long terme dans les environnements de tritium.

Céramiques avancées et matériaux composites pour les applications de fusion

Au-delà des métaux, les céramiques et matériaux composites jouent un rôle essentiel dans l’isolation, le blindage et les applications structurelles au sein des réacteurs à fusion :

• Béryllium (Be) – Métal léger utilisé comme multiplicateur de neutrons dans les systèmes de production de tritium. Bien que ce ne soit pas une céramique, l’oxyde de béryllium (BeO) est parfois employé dans des applications à haute température pour ses propriétés isolantes thermiques et électriques.
• Alumine (Al₂O₃) et zircone (ZrO₂) – Utilisées pour l’isolation thermique et le blindage électrique.
• Composites en carbure de silicium (SiC) – Explorés pour des composants structurels résistants aux radiations, grâce à leur faible activation neutronique et leur résistance à haute température.

Pourquoi choisir Advent Research Materials pour la recherche en fusion ?

• Matériaux de haute pureté – Nous fournissons des métaux, alliages et céramiques de qualité recherche, conçus pour résister aux conditions extrêmes de la fusion.
• Gamme de produits diversifiée – Des matériaux en contact avec le plasma aux solutions de gestion des isotopes, nous proposons une sélection complète de matériaux compatibles avec la fusion.
• Fiabilité reconnue par les chercheurs – Nous accompagnons des institutions académiques, des centres de recherche énergétique et des acteurs majeurs dans les domaines de la physique des plasmas, des matériaux nucléaires et des applications à haute énergie.

Permettre l’avenir de l’énergie propre

L’énergie de fusion a le potentiel de redéfinir la production mondiale d’électricité, offrant une source quasi illimitée d’énergie propre et durable. En fournissant des matériaux essentiels au développement des réacteurs à fusion, Advent Research Materials est fier de soutenir les scientifiques, ingénieurs et pionniers de l’énergie engagés dans la voie de la fusion commerciale.

Découvrez notre gamme de matériaux de haute pureté et contactez notre équipe pour discuter de vos besoins spécifiques.