le défi crucial de la fusion nucléaire

Plongée dans la recherche d’une source d’énergie propre et pratiquement inépuisable, l’humanité est confrontée à un défi crucial qui pourrait définir le cours de notre avenir énergétique. La fusion nucléaire, le processus qui alimente le Soleil, a un potentiel révolutionnaire pour répondre à nos besoins énergétiques sans les déchets dangereux de la fission nucléaire traditionnelle.

Cependant, un obstacle technique s’y oppose : les dommages causés par l’irradiation par les neutrons dans le matériaux de structure du réacteur. Il faut « apprivoiser » ces neutrons pour avancer, car ce sont de véritables animaux sauvages, et nous y parviendrons, avec de nouveaux matériaux beaucoup plus résistants.

Comme l’a dit à juste titre le prix Nobel de physique Pierre Gilles de Gennes à propos de la fusion nucléaire :

« Nous disons que nous mettrons le Soleil dans une boîte. L’idée est séduisante, mais le problème est que nous ne savons pas comment ni quoi fabriquer la boîte.

Animaux sauvages

Au cœur du défi auquel est confrontée la fusion nucléaire se trouvent les neutrons de haute énergie, des créatures imprévisibles qui jouent un double rôle dans le scénario de la fusion.

Les neutrons sont essentiels à la génération de tritio, un isotope essentiel au maintien de la réaction de fusion. Ils agissent de la même manière qu’un soufflet qui attise un feu, mais à l’échelle atomique dans ce processus révolutionnaire.

Tout comme les animaux sauvages peuvent modifier leur environnement, Les neutrons de haute énergie modifient profondément les propriétés mécaniques et physiques des matériaux de structure des réacteurs. Ils affectent l’intégrité et donc le fonctionnement de la « boîte » qui devra contenir le futur Soleil de Fusion Nucléaire.

Jusqu’à présent, ils détruiraient n’importe quelle boîte possible : ils bombardent tous les matériaux du réacteur, ils provoquent des modifications dans sa structure atomique, tout comme une boule de billard déplace les autres boules dans la cassure, un neutron réorganise les atomes qui forment les structures, dégradant ses propriétés, le rendant moins résistant et plus fragile.

Ainsi, alors que nous cherchons à exploiter le potentiel illimité de la fusion nucléaire en tant que source d’énergie propre et abondante, nous sommes confrontés au défi d’apprivoiser ces « animaux sauvages ». Nous cherchons des moyens d’atténuer son impact destructeur et d’assurer la viabilité à long terme d’une technologie prometteuse.

Seul dans son habitat

Les avancées dans recherche de matériaux pour réacteurs à fusion Ils présentent des parallèles fascinants avec les études sur les animaux sauvages.

Tout comme les zoologistes et les naturalistes passent beaucoup de temps à observer et à analyser le comportement des créatures dans leur environnement naturel, les scientifiques dans le domaine de la fusion nucléaire passent d’innombrables heures à étudier les effets de l’irradiation sur les matériaux. Mais ils ne sont pas observés avec des caméras : des techniques avancées sont utilisées telles que irradiation par faisceau d’ions ou des neutrons provenant de réactions de fission.

Cependant, ce n’est pas si simple. L’animal sauvage doit être dans son habitat pour pouvoir l’étudier et en tirer des leçons. De même, les dommages causés aux matériaux par les radiations doivent avoir été générés par des neutrons d’énergie de fusion. Et… comment parvient-on à les produire ?

Lorsque l’on étudie l’effet sur les matériaux de l’irradiation de différentes espèces (ions de fission ou neutrons), on ne peut pas reproduire exactement les conditions extrêmes qu’elles auront dans le futur réacteur à fusion. Nous obtenons des données précieuses et apprenons l’évolution microstructurale des matériaux (comment les organes du matériau s’adaptent au nouvel environnement), mais toujours avec la réserve que ces environnements contrôlés ne capturent pas pleinement la férocité et toute l’étendue de l’irradiation dans des conditions réelles. la fusion. C’est-à-dire que l’on observe que les matériaux se dégradent sans savoir si ces dommages seront similaires, plus ou moins importants.

La raison de IFMIF-DONES

L’avenir de ces recherches promet des avancées significatives avec la construction d’installations comme l’IFMIF-DONES (Installation internationale d’irradiation de matériaux de fusion – Source de neutrons orientée démonstration), un accélérateur de particules conçu pour générer des neutrons d’énergies similaires à celles produites dans les réactions de fusion.

Cette installation permettra aux scientifiques d’étudier des matériaux après qu’ils aient été soumis à un bombardement neutronique qui imite fidèlement l’environnement hostile d’un réacteur à fusion. Cela représente une belle opportunité pour faire progresser cette discipline scientifique, car, après avoir été irradié au DONES, le matériau montrera véritablement ses aptitudes pour être considéré comme candidat à faire partie du réacteur. Nous pourrons étudier son comportement dans ce nouvel habitat et évaluer s’il répond ou non aux exigences. Autrement dit, s’il est capable d’apprivoiser les neutrons sauvages, tout en résistant à des températures élevées et à des contraintes mécaniques.

En attendant que ces installations soient opérationnelles, nous continuons à apprendre des « animaux en cage », reconnaissant que même si ces études ne reproduisent pas parfaitement l’environnement sauvage d’un réacteur à fusion, elles constituent des étapes cruciales vers la compréhension et l’apprivoisement des neutrons.

Des jumelles pour voir à l’intérieur

La La microscopie électronique à transmission (TEM) est l’équivalent d’une puissante paire de jumelles qui permet d’observer les dommages qu’ils provoquent à une échelle intime, en plus de voir les effets des neutrons sur les matériaux au niveau atomique et microscopique. Cela pourrait être comparé à l’époque où les naturalistes analysent les moindres détails de la faune dans son habitat naturel, capturant tout, depuis les motifs les plus courants sur la fourrure d’un animal jusqu’au reflet de la lumière dans ses yeux.

Cette technique visualise comment l’irradiation affecte la structure interne des matériaux et révèle les dommages et les transformations qui se produisent dans leur « ADN ». En comprenant ces changements, nous pouvons concevoir de nouveaux matériaux qui non seulement survivent au bombardement neutronique, mais qui prospèrent également.

Parcs nationaux de fusion nucléaire

Grâce à ces investigations, nous pourrons trouver les matériaux qui résisteront aux conditions extrêmes de la boîte qui contiendra le Soleil et traceront la voie vers une source d’énergie propre et pratiquement illimitée.

Sans abandonner la métaphore, la voie à suivre dans la recherche sur la fusion nucléaire ressemble à l’agrandissement d’une réserve naturelle. Pour conserver les écosystèmes, différents pays et organisations unissent leurs forces. ITER, ou les IFMIF-DONES précités, sont les futurs « parcs nationaux protégés de la fusion ». Et ils représentent un effort commun pour créer un environnement contrôlé où les réactions de fusion peuvent être observées et des technologies jamais imaginées auparavant peuvent être testées.

L’observation détaillée grâce au TEM, la collaboration internationale dans des projets tels que ITER et l’utilisation avancée de simulations informatiques ouvrent une voie prometteuse vers la réalisation de l’énergie de fusion. C’est ainsi que les neutrons seront apprivoisés comme s’il s’agissait d’animaux sauvages. Mais est-ce que ce ne sera qu’un début ?