Alors que les acteurs du secteur de la fusion visent la mise au point de réacteurs commerciaux, des chercheurs canadiens étudient quels matériaux seraient les plus aptes à contenir le tritium, un composant particulièrement délicat du combustible de fusion.
Le tritium est responsable de la lueur rouge des enseignes de sortie au-dessus des portes, des aiguilles et des chiffres sur les montres-bracelets phosphorescentes et des lignes de guidage le long de chaque côté de l’allée des avions. Et, selon des scientifiques du monde entier, il pourrait également jouer un rôle déterminant dans la concrétisation de l’énergie de fusion.
Compte tenu de sa capacité avérée à dégager une grande quantité d’énergie lorsqu’il est fusionné avec le deutérium (un autre isotope de l’hydrogène), le tritium est l’un des éléments que les scientifiques comptent exploiter pour reproduire la fusion nucléaire, ce type de réaction qui permet au Soleil de produire sans cesse de la chaleur et de la lumière, ici sur Terre.
Les réacteurs de fusion offrent non seulement la promesse de générer de grandes quantités d’énergie à faible émission de carbone, mais aussi l’avantage de produire beaucoup moins de déchets radioactifs à longue durée de vie que les technologies de fission nucléaire conventionnelles. Cependant, réaliser ce potentiel implique de surmonter des défis techniques importants. Parmi ces défis figure notamment la difficulté de concevoir des systèmes capables de contenir des combustibles de fusion, tels que les isotopes de l’hydrogène, qui peuvent facilement migrer à travers des interstices de l’ordre du nanomètre au sein des matériaux.
C’est pourquoi les scientifiques du laboratoire nucléaire national du Canada étudient comment ces éléments du combustible, soit le tritium et le deutérium, interagissent et peuvent se diffuser à travers les matériaux à des températures élevées. À terme, leurs travaux contribueront à orienter les politiques relatives aux matériaux utilisés pour la conception et la construction de systèmes de fusion au deutérium-tritium au Canada.
« Nous sommes intéressés par l’isotope d’hydrogène radioactif, le tritium, parce qu’il a tendance à se faufiler à travers les métaux, comme l’eau à travers un tamis, en particulier aux températures élevées qu’on trouve dans les systèmes adjacents au réacteur de fusion », explique Julien Lang, scientifique en recherche sur l’hydrogène.
« Pour faire fonctionner ces systèmes de façon sécuritaire et efficace, nous devons être en mesure de contenir le tritium », explique-t-il. Sinon, le combustible précieux nécessaire au maintien de la réaction se perd au fil du temps, ce qui pourrait accroître l’exposition radiologique des travailleurs du secteur nucléaire.
C’est pourquoi l’équipe procède actuellement à une série de tests sur ces matériaux.
Elle utilise un système expérimental (ou banc d’essai) qui chauffe les matériaux en contact avec le tritium aux températures requises pour le fonctionnement du circuit du cycle du combustible dans un réacteur à fusion, y compris le système de détritiation et le système de stockage du tritium. Elle mesure la vitesse à laquelle le tritium traverse (ou imprègne) certains métaux.
Les scientifiques ont chauffé un tube d’alliage INCOLOY 800 à 850 °C dans leur système nouvellement mis à niveau, qui suit la façon dont le tritium se déplace dans les matériaux
Les essais actuels sont axés sur l’un des types d’acier inoxydable les plus courants (de nuance 304), le matériau standard pour ces systèmes, à des températures allant de 250 °C à 950 °C. Ces essais initiaux ont montré à quel point la perméation du tritium est rapide. À 850 °C, le tritium se diffuse à travers une paroi en acier inoxydable d’un millimètre d’épaisseur en environ deux minutes.
Et la perméation du tritium en quelques minutes n’est pas viable.
« Si l’on veut que les réacteurs à fusion voient le jour, il faudra des opérateurs et du personnel de maintenance, ce qui implique la présence de personnes dans les locaux et sur le site qui ne doivent pas être exposées aux risques liés aux rayonnements », explique Lang. « Plus important encore, un réacteur de fusion ne sera pas en mesure de maintenir sa réaction si le tritium qui l’alimente traverse les parois en acier. »
Pour l’équipe des LNC, c’est particulièrement passionnant de développer une expertise interne grâce à son propre système et à ses propres procédures expérimentales. Cela lui permettra de constituer une base de données fiable pour comparer rigoureusement les matériaux – une étape essentielle, étant donné que les données actuellement disponibles sur la perméation du tritium ne sont ni précises ni fiables.
Au-delà des progrès techniques, l’équipe est motivée par l’impact plus vaste de son travail, contribuant à la recherche qui propulse le Canada vers une nouvelle ère d’énergie nucléaire.
« C’est vraiment encourageant de mener des recherches d’une telle envergure, qui ont suscité l’intérêt de nombreux collaborateurs internationaux », déclare Larissa Jorge, spécialiste des nanomatériaux. « Cela donne un sens et un but au travail que nous faisons. »
Alors que l’investissement mondial dans la fusion se poursuit, cette recherche renforce le rôle du Canada dans l’évaluation du rendement des matériaux et ouvre de nouvelles occasions pour la collaboration et les partenariats internationaux dans l’énergie de fusion.
Cette recherche est financée par le Plan de travail fédéral sur les activités de science et technologie nucléaires d’Énergie atomique du Canada limitée (EACL), qui met en relation les organisations, ministères et agences fédéraux avec l’expertise et les installations en science nucléaire dont nous disposons au sein des Laboratoires de Chalk River.
Dans le cadre de ce Plan de travail, les chercheurs des Laboratoires Nucléaires Canadiens (LNC) mènent des projets dans le but de soutenir les responsabilités et les priorités fondamentales du gouvernement canadien dans les domaines de la santé, de la sûreté et de la sécurité, de l’énergie et de l’environnement.
