La fusion nucléaire exploite l’énergie immense dégagée par l’union de deux particules légères. Cela nécessite des températures et des pressions extrêmement élevées — littéralement, c’est ainsi que les étoiles produisent leur énergie — et, inutile de le dire, peu de choses survivent indemnes face à une exposition à la fusion.
Malheureusement, cela semble aussi s’appliquer au tungstène, métal rare que des chercheurs présentent comme un ingrédient prometteur pour les réacteurs de fusion. Dans une étude publiée récemment dans Physical Review Letters, des physiciens ont mené des simulations à grande échelle qui révèlent que le tungstène est bien plus vulnérable à la détérioration au sein des réacteurs à fusion qu’on ne le pensait. Ce qui enthousiasmait les chercheurs à propos du tungstène était sa résistance exceptionnelle à la chaleur extrême, mais les travaux récents suggèrent que tout cela pourrait être vain compte tenu de l’immense radiation produite par la fusion.
« Notre article récent se concentre sur les dommages radiatifs primaires, c’est‑à‑dire les dégâts causés par un seul recul atomique », a déclaré Jesper Byggmästar, premier auteur de l’étude et physicien à l’Université d’Helsinki en Finlande, à Phys.org. « Comprendre cela est un domaine de recherche actif. »
Effondrement moléculaire
Selon le principe, les dégâts radiatifs surviennent lorsque des réactions puissantes produisent des particules extrêmement énergétiques qui viennent heurter une autre surface. Dans ce cas, les réactions de fusion libèrent des neutrons à haute énergie qui s’écrasent contre les atomes qui constituent, par exemple, un élément en tungstène d’un réacteur. Cette force brute peut déloger un atome de sa position d’origine, ce qui peut ensuite déclencher une réaction en chaîne qui perturbe la formation globale du composant. On parle ici de dommages radiatifs primaires.
L’étude a ainsi cherché à évaluer comment de tels processus pourraient influencer le tungstène, que l’article décrit comme le « choix privilégié pour le matériau de paroi en contact avec le plasma dans les réacteurs tokamak ». En d’autres termes, le tungstène serait directement exposé à la réaction de fusion à l’intérieur du réacteur et aux radiations qui en résultent dans les configurations typiques. Cependant, comme l’équipe l’explique dans l’article, la détérioration des métaux soumis à des radiations n’est pas toujours simple, car ces « cascades de collisions » peuvent aussi se recombiner.
Un milliard d’atomes à la fois
Pour ce faire, l’équipe a cherché à reproduire le chaos complexe de l’irradiation dans ses simulations. Les simulations s’appuyaient sur des connaissances bien établies de la dynamique moléculaire sous contrainte et soumettaient le tungstène à différents niveaux d’énergie auxquels il pourrait être confronté dans les réacteurs à fusion, avant, pendant et après une réaction. Les chercheurs ont fini par simuler un milliard d’atomes à la fois, en comparant leurs résultats avec des modèles afin de vérifier qu’ils reproduisaient fidèlement les dynamiques moléculaires réelles.
« Pendant le fonctionnement du réacteur et lors des expériences d’irradiation, le matériau est soumis à une irradiation bien plus importante sur des échelles de temps et de longueur plus longues », a déclaré Byggmästar. En effet, les simulations ont montré qu’une exposition prolongée aux radiations entraînait une dégradation du tungstène à des taux supérieurs à ceux anticipés.
Cependant, les derniers résultats n’excluent pas nécessairement le tungstène des réacteurs à fusion. D’une part, ITER, une collaboration internationale en recherche sur la fusion, prévoit déjà d’utiliser le tungstène comme matériau en contact avec le plasma, de sorte que les enseignements s’appliqueraient davantage à la manière dont les chercheurs pourraient concevoir des composants plus robustes et durables en général, a ajouté Byggmästar.
