Matériaux et composants face au plasma pour la fusion thermonucléaire

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.