La fusion nucléaire est une source de grand espoir pour la sécurité énergétique future, ce domaine étant exploré dans les réacteurs de recherche du monde entier. La détection avec précision de leurs performances nécessite des systèmes de mesure qui fournissent des données valides même dans des conditions extrêmes. Et la pièce maîtresse de ces systèmes sont les bolomètres de l'Institut Fraunhofer pour les micro-ingénieurs et les microsystèmes IMM. Des experts de l'Institut présenteront leurs capteurs sophistiqués sur le stand conjoint de Fraunhofer (Hall 2, stand B24) au salon du commerce Hanover Messe de cette année du 31 mars au 4 avril.
La technologie de fusion pourrait être la solution aux besoins énergétiques croissants de la population mondiale croissante, mais c'est une technologie très exigeante. Le défi actuel consiste à effectuer des expériences de fusion qui produisent plus d'énergie qu'ils ne le consomment. Pour capturer avec précision les avancées dans ce domaine, les spécialistes ont besoin d'instruments de mesure exceptionnellement sensibles pour analyser et contrôler les processus complexes qui se déroulent à l'intérieur des réacteurs. Déterminer la quantité de puissance émise par le plasma de fusion est crucial à cela.
Précision dans des conditions extrêmes
Les détecteurs utilisés pour y parvenir, appelés bolomètres, doivent fournir de manière fiable des données valides dans des conditions extrêmes. « Nous parlons d'un environnement extrêmement intense: nous avons des neutrons à haute énergie à une densité très élevée, des niveaux élevés de rayons X extra-durs, des températures extrêmes, des charges changeantes en termes de vide et de ventilation – tous les aspects qui nécessitent des soins considérables dans le choix des matériaux », explique Stefan Schmitt, chef de la technologie des capteurs spéciaux chez Fraunhofer Imm. Schmitt et son équipe ont réussi à développer un capteur approprié pour ces exigences, même en vertu des règles strictes qui s'appliquent à ce segment de recherche.
Leur solution est une puce de silicium d'environ 20 par 23 millimètres qui contient quatre capteurs individuels. Chaque capteur a deux zones d'absorbantes mesurant 1,5 par 4 millimètres. La lumière émise par le plasma le long d'une ligne de vue étroite est capturée dans chaque cas par l'un de ces absorbeurs, augmentant la température de l'absorbeur. L'augmentation de la température est mesurée par des résistances méandres en platine sur le côté face à l'absorbeur à mesure que la résistance augmente par une mesure équivalente. De cette façon, le capteur capture directement la puissance de rayonnement présente dans le plasma, de l'infrarouge à l'extrémité X du spectre.
Les experts peuvent utiliser les données de mesure des nombreuses lignes de vue différentes alignées complémentairement à l'intérieur du récipient de réaction pour associer cette puissance aux points physiques dans le plasma, calculant ainsi un profil transversal du plasma de fusion. Pour y parvenir, les puces en silicium produites à Fraunhofer IMM sont incorporées dans des caméras composées d'une tête où se trouve la puce et d'un système d'ouverture. Les caméras permettent d'utiliser les différents signaux de mesure pour évaluer comment se déroule la régulation du plasma à l'intérieur du réacteur tout en déterminant le bilan énergétique global.
Solutions pour des diagnostics spécifiques
Un défi était les niveaux d'énergie élevés présents dans un réacteur de fusion. Cela signifie que le rayonnement passe simplement par la plupart des matériaux. Pour contourner ce problème, l'équipe de Schmitt a conçu les absorbeurs en or ou en platine pour être relativement épais, à 20 micromètres, environ un tiers du diamètre d'une seule mèche de cheveux humains.
Le conducteur, ou résistance de méandre, est en platine, un matériau qui ne subit pas de changements même lorsqu'il est exposé à des niveaux élevés de rayonnement. En utilisant des absorbeurs d'or et des revêtements de carbone spéciaux qui absorbent encore plus efficacement la lumière visible sur la surface de l'absorbeur, les scientifiques ont pu développer des bolomètres qui sont très stables à la fois mécaniquement et électriquement pour toute utilisation.
Un élément intégral de la recherche de fusion active
Ces bolomètres sont déjà utilisés dans des installations de recherche de fusion proéminentes du monde entier, y compris la mise à niveau des asdex dans Garching, Wendelstein 7-X à Greifswald et à l'est en Chine. Ils ont également été spécialement modifiés pour Iter, la plus grande expérience de fusion au monde au Cadarache Nuclear Research Center du sud de la France.
Schmitt, le chef de projet, est fier des réalisations de l'équipe: « Nos bolomètres sont la preuve que nous pouvons répondre parfaitement aux besoins et aux exigences extrêmement spécifiques de nos partenaires. En particulier dans le cas de la recherche de fusion, il est très bénéfique que nous parlons la langue de la science. »
Fraunhofer IMM présentera sa technologie de mesure innovante sur le stand conjoint de Fraunhofer (Hall 2, stand B24) au Hanover Messe 2025, en utilisant la puce du capteur pour illustrer que même des enquêtes très spécifiques sont entre d'excellentes mains avec cette équipe.
