Le marteau à neutrons de la fusion : l'impact sur la conception

Alors que l'énergie de fusion se rapproche de la réalité commerciale, un défi technique majeur apparaît : le flux extrême de neutrons qui bombarde le cœur interne des réacteurs, menaçant la longévité des composants critiques, en particulier les joints, les matériaux structurels et les cuves à vide. Pour certains réacteurs de première génération comme le SPARC, cela pourrait signifier le remplacement de pièces clés chaque année. Mais de nouvelles conceptions telles que l'ARC proposent des solutions alternatives, comme les couvertures liquides FLiBe, pour atténuer ce problème.

SPARC : le marteau à neutrons de la fusion

SPARC, développé par Commonwealth Fusion Systems, est l'un des prototypes de tokamak à haut champ les plus avancés au monde. Il devrait atteindre le seuil de rentabilité du plasma (Q > 1) d'ici 2026. Cependant, en raison de sa taille compacte et de ses champs magnétiques élevés (jusqu'à 12 T), le flux de neutrons dépasse largement les taux habituels dans les installations nucléaires industrielles utilisées pour la production d'électricité.

Maintenance et étanchéité : Le goulot d'étranglement caché

Ce flux intense entraîne une activation rapide des matériaux structurels, une fragilisation, un gonflement à l'hélium et une remise en cause de l'intégrité des fonctions d'étanchéité. L'entretien ou le remplacement des joints dans de telles conditions nécessite un arrêt complet et une intervention à distance, ce qui est coûteux et prend du temps. En l'absence d'une cellule chaude ou d'une infrastructure de maintenance robotisée, cette limitation devient critique.

ARC : Surmonter le flux de neutrons avec FLiBe

La suite de SPARC, ARC, a été conçue en tenant compte de ce défi. Elle présente une couverture d'immersion liquide en FLiBe (un mélange de fluorure de lithium et de fluorure de béryllium).

Ce que fait FLiBe

• Modération et absorption des neutrons : Protège les matériaux structurels et l'enceinte à vide.
• Accumulation de tritium : Le lithium du FLiBe produit du tritium sous l'effet d'un bombardement neutronique. Cela signifie qu'il peut produire le tritium nécessaire pour alimenter la réaction de fusion.
• Média de transfert de chaleur : Fonctionne efficacement à 700-900°C sans pression élevée.

De nouveaux défis en matière de matériaux apparaissent

Pour résoudre les problèmes de neutrons sur les matériaux, FLiBe s'accompagne de ses propres contraintes d'ingénierie :

• Les températures de fonctionnement élevées (~850°C) nécessitent des matériaux présentant une excellente résistance thermique et chimique.
• Les matériaux compatibles sont les suivants
• Les alliages à base de nickel comme l'Hastelloy-N ou l'inconel pour une meilleure résistance à la corrosion dans le sel fondu.
• Composites SiC/SiC : Résistants aux neutrons et compatibles avec le FLiBe (mais coûteux et fragiles).
• Graphite ou métaux réfractaires revêtus (par exemple, molybdène, tungstène).
• Les matériaux d'étanchéité doivent résister aux cycles thermiques, à la corrosion chimique et à la perméation potentielle du tritium, ce qui pousse les concepteurs à opter pour des joints métalliques texturés (comme HELICOFLEX^® TEXEAL^®).

Maturité de FLiBe et adoption plus large

Malgré des performances théoriques prometteuses, les couvertures FLiBe ne sont pas encore mûres pour l'industrie. Les principaux domaines de développement en cours sont les suivants

• Systèmes de contrôle de l'oxydoréduction pour éviter la décomposition du sel et la corrosion.
• Systèmes d'extraction du tritium à partir de sels fondus.
• Technologies de télémanipulation et de purification du sel.

Cependant, l'élan est en train de s'amplifier :

• ARC est l'utilisateur le plus avancé.
• Xcimer Energy (fusion laser) étudie le FLiBe comme bouclier neutronique.
• MoltexFLEX et TMSR-LF1 (Chine) utilisent des sels similaires dans les réacteurs à fission.

Cette tendance montre une évolution claire de l'industrie : les couvertures liquides deviennent l'avenir de l'architecture durable des réacteurs de fusion, offrant un meilleur temps de fonctionnement, un meilleur blindage et un meilleur potentiel d'intégration, au prix d'une plus grande complexité chimique et thermique.

L'industrie de la fusion est confrontée à un moment décisif : les cœurs des réacteurs résisteront-ils à leur propre énergie ? Alors que SPARC met en évidence les problèmes techniques des tokamaks de première génération, notamment en ce qui concerne la maintenance, l'étanchéité et la fatigue des matériaux, les conceptions de nouvelle génération telles que l'ARC utilisent le FLiBe pour les résoudre. Mais alors que le FLiBe devient un élément central de l'avenir de la fusion, l'industrie doit maintenant résoudre les problèmes de corrosion, de gestion du tritium et d'intégration des matériaux à haute température.