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RÉSUMÉ
La conception des composants face au plasma est un enjeu majeur pour les machines de fusion de prochaine génération. Cet article fait le point sur les avancées significatives dans ce domaine, depuis les premières générations de composants des années 1980 jusqu’aux composants actuellement en cours de construction pour ITER. Après un rappel des conditions extrêmes auxquelles sont soumis les composants, les matériaux retenus sont passés en revue, ainsi que les différents concepts de composants et les moyens de qualification associés.
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Designing plasma facing components is a key issue for next step fusion devices. This paper presents an overview of the significant progress achieved in this field, from the first generation of components in the 80’s up to the components designed for ITER, an international project targeted at demonstrating the scientific and technical feasibility of fusion as an energy source, presently under construction. After reminding the extreme loading conditions these components have to face in a fusion facility, the selected materials are reviewed, as well as the different concepts developed and the associated components qualification processes.
Auteur(s)
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Marianne RICHOU : Ingénieur - Institut de recherche sur la fusion magnétique (IRFM) Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Saint-Paul-Lez-Durance, France
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Emmanuelle TSITRONE : Ingénieur - Institut de recherche sur la fusion magnétique (IRFM) Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Saint-Paul-Lez-Durance, France
-
Marc MISSIRLIAN : Ingénieur - Institut de recherche sur la fusion magnétique (IRFM) Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Saint-Paul-Lez-Durance, France
-
Philippe MAGAUD : Ingénieur - Institut de recherche sur la fusion magnétique (IRFM) Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Saint-Paul-Lez-Durance, France
INTRODUCTION
La fusion thermonucléaire est l’une des options envisagées pour produire, dans le futur, de l’énergie décarbonée à grande échelle. La conception des machines de fusion nécessite des développements technologiques de pointe dans de nombreux domaines. Cet article fait le point sur l’ingénierie des composants chargés d’évacuer l’énergie générée dans les dispositifs de fusion. Pour que les réactions de fusion aient lieu, le combustible (isotopes de l’hydrogène) doit être porté à une température de plusieurs dizaines de millions de degrés, à laquelle la matière est à l’état de plasma.Le cœur des dispositifs de fusion est constitué d’une chambre à vide au centre de laquelle le plasma est confiné. Ce confinement est assuré par des champs magnétiques dans les configurations les plus développées à l’heure actuelle, comme les tokamaks ou les stellarators. Les composants constituant la chambre, appelés composants face au plasma, doivent évacuer la puissance générée au cœur du plasma, qu’elle provienne des systèmes de chauffage du plasma ou des réactions de fusion elles-mêmes. Les composants face au plasma doivent donc être activement refroidis par un caloporteur sous pression. Ils sont constitués d’un matériau face au plasma assemblé sur un matériau « puits de chaleur » en contact avec le fluide caloporteur. Cet article se focalisera sur un composant clé, le divertor, qui concentre les charges thermiques les plus élevées dans la chambre à vide. Dans une première partie, les conditions de fonctionnement des composants face au plasma, qui font de leur conception un enjeu majeur pour les machines de fusion de prochaine génération, sont décrites : fonctionnement sous vide (10–6 Pa) et champ magnétique intense (plusieurs teslas), flux de chaleur élevés à évacuer (allant jusqu’à 10-20 MW/m2), températures de surfaces extrêmes (> 1 000 °C localement), cyclage intensif, interactions avec les particules provenant du plasma…Peu de matériaux sont capables de répondre à ces contraintes. Ils sont passés en revue avec leurs atouts et leurs points faibles, notamment en ce qui concerne le tungstène, matériau jugé à l’heure actuelle comme le plus prometteur pour les applications dans les futurs réacteurs de fusion. Les principaux concepts de composants face au plasma sont ensuite présentés ainsi que les règles de conception à respecter. Leur utilisation dans les machines de fusion est mise en perspective, permettant de mesurer les progrès réalisés depuis les premières générations de composants des années 1980 jusqu’aux composants actuellement conçus pour ITER, projet international dont le but est de démontrer la faisabilité scientifique et technologique de la fusion comme source d’énergie, actuellement en cours de construction sur le site de Cadarache, en France. Les moyens de tests spécifiques permettant de qualifier les concepts retenus pour une utilisation en environnement fusion sont également décrits dans l’article. En conclusion, les grands enjeux en matière de développement technologique à plus long terme pour les futurs réacteurs de fusion sont abordés.
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KEYWORDS
tungsten | composite | thermonuclear fusion reactor | ITER
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Du matériau au composant face au plasma2. Exigences et contraintes pour les matériaux face au plasma
Maîtriser les interactions entre le plasma et les parois des tokamaks est un enjeu crucial pour le fonctionnement opérationnel des installations de fusion par confinement magnétique. Les composants face au plasma qui forment ces parois ont deux fonctions clés :
-
extraire la puissance provenant du plasma en continu, à l’aide des différentes technologies présentées dans la section 3 ;
-
contrôler les particules, notamment la cendre de la réaction de fusion (hélium), à l’aide de systèmes de pompage.
Ils doivent assurer ces deux fonctions en continu, sans dégrader les performances du plasma central (appelé aussi plasma de cœur comme montré sur la figure 4) où ont lieu les réactions de fusion, c’est-à-dire en évitant de le polluer par des impuretés arrachées à la paroi par le plasma. Dans la suite de cet article, on se focalisera sur la fonction d’extraction de puissance des composants face au plasma (CFP).
Les composants sont formés d’un matériau face au plasma, d’un matériau de structure et d’un caloporteur, comme détaillé dans la section 3.
Les matériaux des CFP sont soumis à des contraintes extrêmes (figure ...
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Exigences et contraintes pour les matériaux face au plasma
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BÉCOULET (A.) - L’énergie de fusion, - Odile Jacob (2019).
-
(2) - FEDERICI (G.), BIEL (W.), GILBERT (M.R.), KEMP (R.), TAYLOR (N.), WENNINGER (R.) - European DEMO design strategy and consequences for materials - Nucl. Fusion, vol. 57, no. 9, p. 92002 (2017).
-
(3) - WIRTZ (M.), LINKE (J.), LOEWENHOFF (T.), PINTSUK (G.), UYTDENHOUWEN (I.) - Transient heat load challenges for plasma-facing materials during long-term operation, - Nucl. Mater. Energy, vol. 12, pp. 148-155 (2017).
-
(4) - BUCALOSSI (J.) et al - The WEST project: Testing ITER divertor high heat flux component technology in a steady state tokamak environment, - Fusion Eng. Des., vol. 89, no. 7-8 (2014).
-
(5) - ROTH (J.) et al - Recent analysis of key plasma wall interactions issues for ITER, - J. Nucl. Mater., vol. 390-391, no. 1, pp. 1-9 (2009).
-
...
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