Des chercheurs font état d'alliages métalliques susceptibles de soutenir l'énergie de fusion nucléaire

Apr 22, 2024

24 janvier 2023

Cet article a été révisé conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

faits vérifiés

publication évaluée par des pairs

source fiable

relire

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 pas en avant pour alimenter nos foyers et nos entreprises avec une source d’énergie neutre en carbone. Mais pour transformer cette réussite scientifique en une source d’énergie pratique, il faut également de nouvelles technologies pour faire d’une société alimentée par la fusion une réalité.

Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et de l’Institut polytechnique et de l’Université d’État de Virginie (Virginia Tech) contribuent à concrétiser 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 être utilisés dans des réacteurs à 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", 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. Il n’est donc 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 aux températures élevées et aux conditions d’irradiation associées aux réactions de fusion.

De tous les éléments présents sur Terre, le tungstène possède l’un des points de fusion les plus élevés. Cela en fait un matériau particulièrement attractif pour une utilisation dans les réacteurs à fusion. Cependant, il peut aussi être très fragile. 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 en 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 présenter 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 dans la 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 par 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.