Fusion : à Cadarache, le diamant aide le tungstène à encaisser la chaleur

À Cadarache, des chercheurs du CEA ont recouvert du diamant synthétique d’une fine couche de tungstène pour mieux protéger les futures pièces exposées au plasma. Bombardés au laser à Marseille, leurs échantillons de 10 millimètres de côté ont supporté des chocs thermiques qui ont fissuré ou fait fondre des témoins en tungstène massif.

Le problème se concentre dans le divertor, la partie basse du tokamak qui évacue une grande partie de la chaleur et des particules échappées du plasma. Les cibles verticales d’ITER doivent recevoir environ 10 mégawatts par mètre carré en fonctionnement continu, et 20 lors de transitoires plus lents.

Le tungstène est le matériau de référence pour les protéger. Il fond à très haute température, résiste bien à l’érosion et retient peu le tritium. Mais sa surface peut se fissurer, se recristalliser ou fondre lorsque la chaleur arrive trop brutalement. Le diamant synthétique évacue beaucoup plus rapidement cette chaleur, mais il s’érode vite lorsqu’il est directement exposé au plasma.

Le composite développé par l’Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique réunit les deux propriétés. Un substrat de diamant épais d’environ un millimètre répartit rapidement la chaleur. À sa surface, une couche de tungstène d’une dizaine de micromètres protège le diamant contre l’érosion. Le défi consistait à faire survivre leur interface à des milliers de chauffages et de refroidissements rapides.

Les essais ont été menés sur la station laser CHAUCOLASE de l’Institut Fresnel. Les analyses réalisées ensuite par des laboratoires d’Aix-Marseille Université n’ont relevé aucune fissure, aucune zone fondue et aucun décollement entre les couches après 20 impulsions d’une seconde à 100 mégawatts par mètre carré. Les meilleurs échantillons sont également restés intacts sous des milliers d’impulsions d’une milliseconde, jusqu’à environ 1,7 à 2 gigawatts par mètre carré.

Des morceaux de tungstène de mêmes dimensions, découpés dans des monoblocs de qualité ITER, ont été endommagés à des niveaux inférieurs à ceux supportés par les meilleurs composites.

Le matériau reste un assemblage de laboratoire de 1 cm². Il faut désormais fabriquer un composant complet, le refroidir, l’intégrer à un support et l’exposer au plasma. Son comportement sous une forte irradiation neutronique n’est pas établi.

La conception a été menée au CEA de Cadarache, les essais sous flux extrême à l’Institut Fresnel de Marseille, puis l’observation des surfaces et des interfaces dans les laboratoires d’Aix-Marseille Université. La prochaine étape annoncée est de fabriquer un composant complet pour le tester dans WEST, le tokamak de Cadarache.