Nouveauté dans la recherche sur la fusion : la Croatie lance une installation à double faisceau d’ions avec l’appui de l’AIEA

11 July 2019

Laura Gil, Bureau de l’information et de la communication de l’AIEA

Plus de 50 pays font actuellement des recherches en fusion nucléaire contrôlée et en physique des plasmas afin de prouver scientifiquement que la fusion peut être utilisée comme source d’énergie. (Photo : NASA/CC)

Une installation à double faisceau d’ions, permettant d’utiliser simultanément deux faisceaux d’ions d’accélérateurs différents, vient d’être inaugurée à Zagreb, renforçant la recherche de la Croatie dans le domaine de la fusion et la présence mondiale de ces installations de pointe. Mise en place avec l’appui de l’AIEA, l’installation He Ion Source & DiFU Dual-Beam de l’Institut Ruđer Bošković aidera les scientifiques à tester et à développer de nouveaux matériaux de structure, indispensables pour faire de l’énergie de fusion une réalité. Il n’y a que quelques installations de ce type dans le monde.

Les chercheurs et les ingénieurs du domaine de la fusion s’emploient à élaborer des méthodes pour utiliser la puissance générée par la fusion de noyaux légers, un processus comparable à celui de la production d’énergie stellaire. À la clé, une énergie abondante, sûre et sans carbone.

Cependant, les réactions de fusion génèrent des neutrons et des particules alpha de haute énergie, qui peuvent endommager les parois du réacteur après un certain temps d’exposition. La technologie des faisceaux d’ions telle que celle employée dans l’installation inaugurée en Croatie, permet de simuler ces conditions extrêmes et aide à élaborer des matériaux suffisamment robustes pour résister à cette exposition.

« La mise en place de la source d’ions dans l’accélérateur tandem de 1,0 MV était le dernier élément à mettre en place. L’installation permet maintenant d’effectuer la simulation la plus réaliste du phénomène de la fusion », dit Milko Jasic, Chercheur principal au Laboratoire des interactions des faisceaux d’ions à l’Institut Ruđer Bošković. « Cet investissement permettra aussi d’étendre l’utilisation des techniques d’analyse par faisceaux d’ions à de nombreuses autres applications ».

« Elle permettra aux chercheurs et ingénieurs de vérifier que les matériaux sont suffisamment robustes pour contenir une réaction de fusion », ajoute Danas Ridikas, Chef de la Section de la physique à l’AIEA. « C’est est une belle avancée pour l’Europe et aussi pour les États Membres de l’AIEA d’autres régions ».

L’Institut Ruđer Bošković travaille avec l’AIEA dans le cadre d’un accord de collaboration depuis 1997. L’AIEA a fourni des équipements à l’Institut et l’a aidé par un programme de renforcement des capacités. L’AIEA a récemment lancé un nouveau projet de recherche coordonnée pour faciliter les expériences dans les installations de faisceaux d’ions du monde entier. Les scientifiques intéressés d’autres États Membres de l’AIEA ont également accès à l’Institut et notamment à cette installation à double faisceau d’ions.

Faire avancer la recherche sur la fusion

Dans un dispositif de fusion, les noyaux sont chauffés à de très hautes températures pour les faire fondre et libérer de l’énergie. Danas Ridikas souligne que les chercheurs du monde entier ont réalisé récemment d’impressionnants progrès en fusion et en physique des plasmas. Plus de 50 pays font actuellement des recherches en fusion nucléaire contrôlée et en physique des plasmas afin de prouver scientifiquement que la fusion peut être utilisée comme source d’énergie.

« Des expérimentations et des initiatives complexes sur la physique des plasmas sont cours dans le monde entier », dit-il. « Mais il faut encore répondre à d’importantes questions. Par exemple, comment savoir si les matériaux seront assez solides pour résister à une réaction de fusion au fil des ans ? »

Les technologies telles que celle de l’installation à double faisceau d’ions inaugurée en Croatie permettent de simuler les circonstances auxquelles un matériau serait exposé dans un réacteur de fusion, notamment les produits de transmutation et les dégâts causés par les neutrons et les particules alpha de haute énergie résultant de la fusion.

« Avec les bonnes mesures, le bon contrôle de la température et deux faisceaux d’ions simultanés – notre double faisceau – frappant le matériau, nous créons une simulation qui donne une indication de la manière dont les matériaux des structures réagissent à la force de la fusion », dit Danas Ridikas. « Nous pouvons ainsi tester quel matériau résiste et combien de temps ».

Les deux faisceaux frappent un échantillon d’acier, matériau utilisé habituellement dans les réacteurs de fusion pour sa robustesse, simulant l’action du plasma de fusion et l’altération du matériau. L’interaction nucléaire peut endommager la structure cristalline du matériau mais aussi créer des produits de transmutation gazeux tels que l’hélium et l’hydrogène. Des bulles risquent alors de se former dans l’acier et de le faire enfler. En sachant quand et comment surviennent ces réactions, les scientifiques peuvent adapter le matériau pour contrecarrer ces effets indésirables.

Le mois dernier, l’AIEA et l’Organisation internationale ITER pour l’énergie de fusion ont accepté de renforcer leur coopération dans la recherche sur la fusion nucléaire et les activités connexes, l’objectif à long terme étant la production d’énergie de fusion à l’échelle industrielle dans des centrales nucléaires. ITER, réacteur expérimental international en construction en France, est l’un des projets expérimentaux sur la fusion les plus avancés et les plus vastes au monde. Parallèlement, les installations à double faisceau telles que celle de l’Institut Ruđer Bošković ou le nouveau projet de l’UE en Espagne, DONES, source de neutrons pour la fusion, vont faire progresser la recherche concernant les tests de matériaux.

L’installation He Ion Source & DiFU Dual-Beam, mise en place avec l’appui de l’AIEA à l’Institut Ruđer Bošković, en Croatie. (Photo : AIEA)

Advancing fusion research

In a fusion device, the nuclei are heated to extremely high temperatures to cause them to fuse and release energy. Researchers worldwide have made impressive progress in fusion and plasma physics lately, Ridikas said. Controlled nuclear fusion and plasma physics research is currently carried out in more than 50 countries to prove the scientific feasibility of fusion as an energy source.

“Complex experiments and initiatives are taking place around the world on plasma physics,” Ridikas said. “But important questions are still open. For example: how can we know that materials will be strong enough to withstand a fusion reaction after years and years of exposure?”

Technology like the dual-beam ion facility in Croatia can simulate similar circumstances — including the transmutation products and damage produced by high-energy neutrons and alpha particles that come from fusion — that a material would be exposed to in a fusion reactor.

“With the right measurements, right temperature control, and two simultaneous ion beams — hence, dual beam — hitting the material, we are creating a simulated reality where we can get an indication of how the structural material will react to the force of fusion,” Ridikas said. “This way, we can test which material holds up and for how long.”

The two beams are directed at a steel sample — the material typically used for fusion reactors due to its robustness — to simulate how fusion plasma could interact with and modify this material. This nuclear interaction, in addition to possibly damaging the crystal structure of the material, creates transmutation gas products such as helium and hydrogen. This might lead to the formation of bubbles inside the steel, which can cause the material to swell. Knowing how and when these reactions occur, scientists can adapt the material to counteract these unwanted effects.

Last month, the IAEA and the ITER International Fusion Energy Organization have agreed to strengthen their cooperation in nuclear fusion research and related activities with the long-term goal of realizing fusion energy production on an industrial, power-plant scale. ITER is an international experimental reactor under construction in France, and one of the most advanced and largest fusion experiments in the world. In parallel, dual-beam facilities like the one installed at the Ruđer Bošković Institute, or the new EU-led DONES initiative in Spain, a fusion-dedicated neutron source, will advance research in materials testing.

The 'He Ion Source and DiFU Dual-Beam Facility' was installed with IAEA support in Croatia’s Ruđer Bošković Institute. (Photo: IAEA)

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