Des chercheurs de l’Institut de technologie de Tokyo et de l’Institut national des sciences de la fusion ont clarifié la compatibilité chimique entre l’étain métallique liquide à haute température (Sn) et le martensitique ferritique à activation réduite, un matériau structurel candidat pour les réacteurs de fusion. Cette découverte a ouvert la voie au développement d’un divertor en étain à métal liquide, qui est un composant avancé d’évacuation de la chaleur des réacteurs de fusion. Un dispositif appelé divertor est installé dans les réacteurs de fusion pour maintenir la pureté du plasma. Pour les divertors, il y a eu une demande pour des métaux liquides capables de supporter des charges thermiques extrêmement importantes provenant de plasma à haute température.
Arrière plan
Les réacteurs à fusion sont activement développés dans le monde entier comme une forme d’énergie durable sans carbone car leur combustible peut être extrait d’une source inépuisable d’eau de mer. De plus, ils n’émettent pas de gaz à effet de serre. Outre la construction du tokamak (ITER), qui est construit grâce à la collaboration de sept des principaux pays et régions du monde (Japon, UE, États-Unis, Corée du Sud, Chine, Russie et Inde), le développement de la fusion par le le secteur privé s’accélère également.
L’un des composants les plus importants de ces réacteurs à fusion est le divertor, un composant qui gazéifie les impuretés du plasma et envoie le gaz vers une pompe d’échappement. Pendant le fonctionnement d’un réacteur à fusion, certains des composants structurels du divertor sont exposés à des charges thermiques extrêmement importantes au même niveau que la « navette spatiale lors de son entrée dans l’atmosphère ». Les chercheurs travaillent à développer un divertor solide dans lequel un bloc de matériau résistant à la chaleur tel que le tungstène est placé en contact avec le plasma et refroidi avec de l’eau à haute température et haute pression. Ce système de divertor solide est également utilisé dans le projet ITER et les prototypes de réacteurs à fusion. Inversement, en tant que mécanisme innovant pour résister à la grande charge thermique du plasma, les chercheurs ont également envisagé le concept d’un divertor à métal liquide qui protège le divertor du plasma en recouvrant le matériau structurel du divertor avec un métal liquide qui possède d’excellentes performances de refroidissement.
L’étain (Sn) est un métal qui a été utilisé de diverses manières dans notre vie quotidienne ; par exemple, comme matériau pour la vaisselle et comme composant de soudure. L’étain a un point de fusion relativement bas de 232°C et convient à une utilisation à l’état liquide. Une autre propriété de l’étain est que sa pression de vapeur à haute température est inférieure à celle des autres métaux liquides. Lorsque l’étain métallique liquide est utilisé comme liquide de refroidissement pour recouvrir et protéger la surface du matériau structurel du divertor de métal liquide d’un réacteur de fusion, il est difficile de s’évaporer même s’il est chauffé par plasma et atteint une température élevée. Il possède également l’avantage que le métal évaporé est moins susceptible de se mélanger au plasma. Cependant, la corrosion des matériaux de structure est un problème technique qui préoccupe les chercheurs.
Résultats de recherche
Le laboratoire de Kondo s’est concentré sur la coexistence chimique avec divers matériaux structurels et fonctionnels. Le laboratoire a porté une attention particulière aux caloporteurs métalliques liquides qui attirent l’attention dans le domaine des énergies de nouvelle génération comme les réacteurs à fusion. Les chercheurs se sont concentrés sur l’étain métallique liquide, qui révèle la propriété incommode d’être très réactif à haute température. Ils ont cherché à clarifier le mécanisme de corrosion des matériaux de structure des réacteurs de fusion et à découvrir des matériaux qui présentent une résistance à la corrosion.
1. Qu’est-ce que l’étain métallique liquide à haute température et qu’est-ce qui cause son intense corrosivité ?
Le martensitique ferritique à activation réduite (Fe-9Cr-2W-0,1C), qui est le principal matériau de structure candidat pour les réacteurs de fusion, est basé sur la composition d’acier martensitique ferritique résistant à la chaleur. Le martensitique ferritique à activation réduite utilise des éléments additifs qui réduisent la radioactivité induite, en supposant une utilisation dans un environnement d’irradiation neutronique dans un réacteur. Lorsque l’acier martensitique ferritique à activation réduite entre en contact avec l’étain métal liquide, la période d’incubation avant le début de la corrosion est très courte. Les chercheurs ont déterminé que l’acier contient du fer (Fe) qui réagit avec l’étain à haute température pour corroder le matériau tout en formant rapidement des composés intermétalliques (FeSn2, etc.) sur la boîte. En plus de contenir du fer, l’acier martensitique ferritique à activation réduite contient également des éléments tels que le chrome et le tungstène qui ne réagissent pas facilement avec l’étain. Par conséquent, l’acier a un taux de corrosion inférieur à celui du fer pur. Cependant, après dix jours à 500°C, l’acier forme un composé intermétallique d’une épaisseur d’environ 155 micromètres et se corrode. En extrapolant ces chiffres à un an, l’épaisseur pourrait atteindre l’ordre du millimètre, ce qui représente un taux de corrosion très important. A 600°C, les chercheurs ont constaté que l’amincissement dû à la corrosion devenait encore plus sévère. A cette époque, les chercheurs ont également constaté que la corrosion progresse en raison de la diffusion vers l’intérieur de l’étain dans la microstructure de l’acier.
Le professeur agrégé Masatoshi Kondo de l’Institut de technologie de Tokyo, qui dirige l’équipe de recherche, a donné l’explication suivante : « Bien que l’étain métallique liquide soit un excellent liquide de refroidissement aux propriétés variées, il présente l’inconvénient de corroder les matériaux de structure. En clarifiant le mécanisme de corrosion , nous espérons promouvoir l’utilisation de l’étain métal liquide non seulement pour l’énergie de fusion mais aussi pour les centrales solaires thermiques. »
2. Quels matériaux peuvent résister à l’étain métallique liquide à haute température à des températures élevées ?
Les chercheurs ont découvert que les matériaux de structure à base d’acier/de fer se corrodent vers l’extérieur et vers l’intérieur tout en formant des composés intermétalliques lorsqu’ils sont exposés à de l’étain métallique liquide à haute température. En effet, le fer, principal composant de l’acier, réagit avec l’étain liquide à haute température. Par conséquent, les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’il serait possible d’empêcher la réaction avec l’étain à haute température en combinant le fer avec de l’oxygène à l’avance pour former un oxyde avant la réaction. Poursuivant cette théorie, les chercheurs ont testé l’oxyde de fer (Fe2O3) et l’oxyde de chrome (Cr2O3) pour la compatibilité avec l’étain liquide à 500°C. Lors de l’immersion du matériau fritté d’oxyde de fer, l’étain a partiellement pénétré dans les pores créés lors de la cuisson. Cependant, l’épaisseur de la structure de réaction avec l’étain sur la surface du matériau était d’environ 1 micromètre. Il s’agissait d’une réaction extrêmement fine qui n’est que d’environ 1 % de celle de l’acier ferritique à activation réduite. De plus, lors de l’examen du matériau fritté d’oxyde de chrome, on peut voir que la structure de réaction avec l’étain en surface est très mince. De cette manière, les chercheurs ont découvert que même un élément métallique tel que le fer, qui réagit facilement avec l’étain, peut être considérablement supprimé par une réaction préalable avec l’oxygène pour former un oxyde.
« L’environnement de fonctionnement d’un divertor en étain liquide dans un réacteur de fusion est dans des conditions extrêmement difficiles dans lesquelles la corrosion par l’étain liquide et l’irradiation des neutrons de fusion se superposent », a expliqué le professeur Kondo, qui dirige les recherches de l’équipe japonaise dans la tâche 3 des États-Unis. -Programme japonais de coopération scientifique et technologique : projet FRONTIER). « Dans ce projet, nous collaborons avec les membres de l’équipe de projet du laboratoire national d’Oak Ridge aux États-Unis pour étudier les effets des radiations sur la dynamique de réaction de corrosion de l’acier avec de l’étain liquide », a-t-il ajouté.
Les découvertes discutées dans cet article ont clarifié la cause et le mécanisme de la corrosion de l’étain métallique liquide, qui a une corrosivité relativement forte. Cette recherche contribuera de manière significative à la réalisation d’une société neutre en carbone en aidant au développement d’équipements de réception de chaleur avancés hautement fiables pour les réacteurs à fusion.
