Une nouvelle classe d'aciers avancés a besoin de plus de réglage fin avant une utilisation dans les composants du système pour l'énergie de fusion – une alternative plus durable à la fission qui combine deux atomes légers plutôt que de diviser un atome lourd. L'alliage, un type d'acier ferritique / martensitique ou RAFM réduit, contient des milliards de particules à l'échelle nanométrique de carbure de titane destiné à absorber le rayonnement et à piéger l'hélium produit par la fusion dans un seul composant.
Lorsqu'elles sont soumises à des dommages causés par les radiations et des concentrations d'hélium représentatives de la fusion, les précipités du titane-carbure ont initialement aidé à piéger l'hélium mais se dissolvent plus tard sous des niveaux de dommages élevés. Après la dissolution, l'alliage a gonflé car il n'était plus en mesure de disperser et de piéger l'hélium, ce qui pourrait compromettre les composants du système d'énergie de fusion.
La première enquête systématique de son genre dirigée par l'Université du Michigan a été publiée dans Acta Materialia et le Journal of Nuclear Materials Dans une série de trois articles.
« Ces résultats représentent certains des résultats de fidélité les plus élevés sur la tolérance aux radiations des aciers pertinents par la fusion et guideront le développement des alliages et le raffinement des modèles d'effets de rayonnement pour les années à venir », a déclaré Kevin Field, professeur d'ingénierie nucléaire et de sciences radiologiques et UM et auteur principal des études.
Une technologie à l'horizon
Jusqu'à présent, les systèmes de fusion à grande échelle n'ont été démontrés que dans une poignée de laboratoires nationaux de pointe dans le monde, notamment Lawrence Livermore National Laboratory en Californie. Bien que Fusion Energy ait suscité beaucoup d'intérêt, la technologie n'est pas encore prête pour les centrales électriques à petite échelle.
Plus de 90 réacteurs à fission nucléaire opèrent actuellement aux États-Unis pour fournir une source stable d'énergie sans carbone, mais les chercheurs considèrent l'énergie de fusion comme une alternative plus durable. Alors que la fission repose généralement sur des ressources finies d'uranium, la fusion pourrait fonctionner à l'aide d'isotopes d'hydrogène récoltés à partir de sources abondantes telles que l'eau de mer.
L'énergie de fusion s'accompagne également des avantages de sécurité accrus car il produit l'hélium et les déchets radioactifs de courte durée qui sont plus faciles à éliminer que les déchets radioactifs à longue durée de vie de la fission. De plus, si un système d'énergie de fusion échoue, la réaction s'éteint simplement sans risque de fusion nucléaire.
L'inconvénient est que les systèmes d'énergie de fusion doivent atteindre 100 millions de degrés Celsius – plus chauds que la surface du soleil – au cœur de la réaction et permettent à d'autres composants tels que ceux qui utilisent l'acier Rafm pour atteindre jusqu'à 600 ° C.
En plus du rayonnement et de la chaleur extrême, les neutrons générés par une réaction de fusion peuvent interagir avec les matériaux et créer de l'hélium en leur sein. À des concentrations élevées, l'hélium peut faire gonfler et se déformer les matériaux du système. Le développement d'un matériau capable de résister à ces conditions extrêmes est une étape critique vers le renforcement d'une capacité d'une source d'énergie propre.
Une nouvelle façon de tester les matériaux de fusion
Jusqu'à présent, la plupart des expériences n'ont pu tester que le rayonnement d'un matériau ou une résistance à l'hélium isolément. Dans une approche plus complète, les chercheurs ont utilisé un accélérateur de particules pour bombarder simultanément des échantillons d'acier avec un faisceau d'ion de fer – qui inflige des dommages causés par le rayonnement – et un faisceau d'ion d'hélium, simulant plus précisément les conditions d'énergie de fusion.
Les chercheurs peuvent ajuster finement les niveaux de dommages par rayonnement (un à 100 déplacements par atome, ou DPA), les concentrations d'hélium (10 à 25 parties atomiques par million produites par DPA) et les températures (de 300 à 600 ° C) pour mieux comprendre les comportements matériels dépendants de la dose.
« Le niveau de contrôle et de détails dans ces expériences nous rapproche considérablement de la simulation de conditions de réacteur. Cette capacité est essentielle alors que nous avançons dans la découverte et l'optimisation des matériaux pour permettre le déploiement futur de la puissance de fusion nucléaire », a déclaré TM Kelsy Green, un doctorat de l'ingénierie nucléaire et des sciences radiologiques à UM, ingénieur actuel des matériaux de matériaux à Antares et auteur principal des trois études.
Plus précisément, l'équipe de recherche a testé une nouvelle classe d'acier au chrome de fer (FE-9CR) appelé alliage nanostructuré coulable # 9, ou CNA9 pour une nouvelle génération d'alliage Rafm conçu par l'équipe de matériaux de fusion de laboratoire d'Oak Ridge qui peut contenir une densité haute densité de précipités de carbure de titane.
Après exposition aux faisceaux à double ion, les échantillons ont été examinés étroitement en utilisant la microscopie électronique de pointe pour caractériser les précipités et les bulles d'hélium en titane à l'échelle nanométrique.
Les particules de carbure de titane ont piégé un peu d'hélium sous forme de bulles à leur surface, avec le plus grand succès autour de 500 ° C. Malgré le succès partiel, l'hélium non capturé a formé des bulles dans l'acier en vrac, provoquant une augmentation de l'alliage de 2% aux niveaux de rayonnement les plus élevés.
De plus, les précipités en titane-carbure ont montré une certaine stabilité à des températures plus élevées (500–600 ° C) et des niveaux de rayonnement plus faibles (moins de 15 DPa), mais complètement dissous à des niveaux de dégâts plus élevés (50 à 100 dPa) quelle que soit la température. Les résultats suggèrent que la conception de l'alliage actuel réduirait les propriétés de résistance aux rayonnements au début de la durée de vie opérationnelle du réacteur de fusion.
« Les résultats sur les doses de rayonnement élevés (> 15 DPa) étaient surprenants, comme nous nous attendions à des températures les plus élevées évaluées que les précipités des carbures de titane seraient toujours stables, mais ce n'était clairement pas le cas », a déclaré Field.
À l'avenir, les chercheurs suggèrent d'ajuster l'acier en augmentant la densité des précipités en titane-carbure de 1000 fois pour empêcher plus efficacement les essais de faisceau d'ions et effectuer plus de tests de faisceaux d'ions à différents taux pour simuler des environnements d'énergie de fusion.
« La liaison préférentielle entre les nanoprécipités du tic et les atomes d'hélium observés dans cette série d'études met en évidence le rôle bénéfique du TIC dans les nouveaux aciers à l'AIIC. Laboratoire et auteur contributif des études.
Les matériaux ont été étudiés au Michigan Ion Beam Laboratory et au Michigan Center for Materials Caractérisation avec les travaux effectués par le Nome Lab.
