De nouvelles recherches sur le tungstène révèlent un potentiel d’amélioration des matériaux de fusion

Dans la quête d’une énergie propre et sans fin, la fusion nucléaire constitue une frontière prometteuse. Mais dans les réacteurs à fusion, où les scientifiques tentent de produire de l’énergie en fusionnant des atomes, imitant le processus de production d’énergie du soleil, les choses peuvent devenir extrêmement chaudes. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont approfondi la science de la gestion de la chaleur, en se concentrant sur un métal spécial appelé tungstène.

De nouvelles recherches, menées par des scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC du ministère de l’Énergie, mettent en évidence le potentiel du tungstène pour améliorer considérablement la technologie des réacteurs à fusion, sur la base de nouvelles découvertes sur sa capacité à conduire la chaleur. Cette avancée pourrait accélérer le développement de matériaux pour réacteurs à fusion plus efficaces et plus résilients. Leurs résultats étaient publié aujourd’hui dans Avancées scientifiques.

« Ce qui nous passionne, c’est le potentiel de nos découvertes à influencer la conception de matériaux artificiels pour la fusion et d’autres applications énergétiques », a déclaré Siegfried Glenzer, collaborateur et directeur de la division haute densité énergétique du SLAC. « Nos travaux démontrent la capacité de sonder les matériaux à l’échelle atomique, fournissant ainsi des données précieuses pour la poursuite de la recherche et du développement. »

Rester au frais sous pression

Le tungstène n’est pas n’importe quel métal. Il est solide, peut supporter des températures incroyablement élevées et ne se déforme pas ou ne s’affaiblit pas autant que les autres métaux par les vagues de chaleur. Cela le rend particulièrement efficace pour évacuer la chaleur rapidement et efficacement, ce qui est exactement ce qui est nécessaire dans les conditions très chaudes d’un réacteur à fusion. Le chargement thermique rapide du tungstène et de ses alliages se retrouve également dans de nombreuses applications aérospatiales, telles que les tuyères de moteurs de fusée, les boucliers thermiques et les revêtements d’aubes de turbine.

Comprendre comment le tungstène fonctionne avec la chaleur offre des indices sur la manière de fabriquer de nouveaux matériaux pour les réacteurs à fusion, encore plus efficaces pour rester froids sous pression. Dans cette nouvelle recherche, les scientifiques ont développé une nouvelle façon d’examiner de près la manière dont le tungstène gère la chaleur au niveau atomique.

L’équipe de recherche a entrepris d’explorer le phénomène de diffusion des phonons, un processus dans lequel les vibrations du réseau au sein d’un matériau solide interagissent, jouant un rôle essentiel dans la capacité du matériau à conduire la chaleur. Traditionnellement, la contribution des phonons au transport thermique dans les métaux était sous-estimée, l’accent étant davantage mis sur le rôle des électrons. Grâce à une combinaison de modélisation et de techniques expérimentales de pointe, l’équipe de recherche a mis en lumière le comportement des phonons dans le tungstène.

Démêler les contributions

Sur la « caméra électronique » MeV-UED du SLAC, les chercheurs ont sondé le matériau avec une technique appelée diffusion diffuse d’électrons ultrarapide (UEDS), qui a permis à l’équipe d’observer et de mesurer les interactions entre les électrons et les phonons avec une précision sans précédent. Cette méthode consiste à tirer un laser pour exciter les électrons du tungstène, puis à observer comment ces électrons excités interagissent avec les phonons. La technique UEDS capture la diffusion des électrons par les phonons, permettant aux chercheurs d’observer ces interactions en temps réel avec une précision incroyable.

L’UEDS a permis aux chercheurs de faire la distinction entre les contributions de la diffusion électron-phonon et phonon-phonon au transport thermique. Cette différenciation est essentielle pour comprendre le fonctionnement complexe de la gestion thermique dans les matériaux soumis aux conditions difficiles d’un réacteur à fusion.

« Le défi consiste à distinguer les contributions des phonons et des électrons au transport thermique », a déclaré Mianzhen Mo, scientifique du SLAC, qui a dirigé la recherche. « Notre article présente une technique de pointe qui résout ces contributions, révélant comment l’énergie est distribuée dans le matériau. Cette technique nous a permis de mesurer avec précision les interactions entre les électrons et les phonons dans le tungstène, nous fournissant ainsi des informations qui n’étaient auparavant pas disponibles. hors de portée. »

Les résultats de l’étude ont montré que dans le tungstène, l’interaction entre les phonons eux-mêmes est beaucoup plus faible que prévu. Cette faible interaction phonon-phonon signifie que le tungstène peut conduire la chaleur plus efficacement qu’on ne le pensait auparavant.

« Nos découvertes sont particulièrement pertinentes pour concevoir de nouveaux matériaux plus robustes pour les réacteurs à fusion », a déclaré Alfredo Correa, scientifique au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). « De telles expériences précises fournissent une excellente validation de la nouvelle technique de simulation que nous avons utilisée dans ce travail pour décrire le transport de chaleur et les mouvements microscopiques des atomes et des électrons, nous permettant ainsi de prédire le comportement des matériaux dans des environnements extrêmes. »

Si vous ne supportez pas la chaleur…

Dans le prolongement de ces recherches, l’équipe prévoit d’étudier l’impact des impuretés, telles que l’hélium, sur la capacité du tungstène à gérer la chaleur. L’accumulation d’hélium, produit de la transmutation induite par les neutrons de fusion dans les matériaux, peut affecter les performances et la longévité du matériau.

« La prochaine phase de nos recherches explorera l’impact de l’hélium et d’autres impuretés sur la capacité du tungstène à conduire la chaleur », a déclaré Mo. « Cela est crucial pour améliorer la durée de vie et l’efficacité des matériaux des réacteurs à fusion. »

Comprendre ces interactions est essentiel pour valider la modélisation fondamentale et développer des matériaux capables de résister aux exigences rigoureuses d’un réacteur à fusion au fil du temps. Cela pourrait conduire à des matériaux encore meilleurs, non seulement pour les réacteurs à fusion, mais également dans d’autres domaines où la gestion de la chaleur est critique, de l’aérospatiale à l’industrie automobile en passant par l’électronique.

« Cette recherche ne vise pas seulement à améliorer les matériaux destinés aux réacteurs à fusion ; elle vise à tirer parti de notre compréhension de la dynamique des phonons pour révolutionner la façon dont nous gérons la chaleur dans un large éventail d’applications », a déclaré Glenzer. « Nous ne nous contentons pas d’améliorer notre compréhension du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes ; nous préparons le terrain pour un avenir où l’énergie de fusion propre et durable pourrait devenir une réalité. »