Progrès de l'Institut de physique des plasmas de l'Académie chinoise des sciences dans la recherche sur les matériaux de radioprotection pour le confinement du tritium
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L'étanchéité des traversées, la maintenance ultérieure et la protection contre les rayonnements neutroniques et gamma à haut flux des futures installations de fusion imposent des exigences globales en matière d'étanchéité gazeuse, de flexibilité et de facilité de démontage, ainsi que de performances de blindage contre les rayonnements pour les matériaux de radioprotection de leur système de confinement sûr du tritium. L'équipe de recherche a utilisé du PbWO₄ micro-fusiforme (cristaux tétragonaux bipyramidaux) synthétisé par précipitation directe en phase aqueuse, combiné à du B4C micrométrique comme agents de blindage, et a préparé une série de composites en caoutchouc de silicone par coulée de réticulation par hydrosilylation, avec comparaison à plusieurs agents de blindage commerciaux. Le PbWO₄ fusiforme, en raison de sa polarité plus forte, de sa taille de particules plus fine et de sa distribution plus uniforme, présente une bonne compatibilité avec la matrice et inhibe efficacement le mouvement des segments de chaîne de la matrice, améliorant ainsi la stabilité thermique et les propriétés mécaniques du composite : la température de décomposition thermique atteint 335,4 °C, la résistance à la compression atteint 5,32 MPa, avec une résistance à la traction appropriée de 0,92 MPa, satisfaisant aux exigences d'étanchéité gazeuse et de démontabilité des traversées. De plus, ce composite présente d'excellentes performances de résistance aux ultraviolets, avec une perte minimale de résistance à la traction après vieillissement accéléré, et une durabilité environnementale remarquable en service.
Des simulations Monte Carlo ont validé la capacité de blindage synergique de ce composite contre les neutrons et les rayons gamma, ainsi que sa capacité à supprimer les rayons gamma secondaires. Des mesures réelles à une épaisseur de 15 cm montrent que les taux de blindage de ce matériau contre les neutrons du ²⁵²Cf et les rayons gamma du ¹³⁷Cs atteignent respectivement 93,13 % et 82,76 %, ses performances de protection neutronique étant supérieures à celles du béton et ses performances de protection gamma comparables à celles du béton. Ces travaux offrent une nouvelle stratégie pour la conception de matériaux de radioprotection pour le confinement du tritium dans la fusion.
Ces recherches ont bénéficié du soutien de la plateforme de recherche-développement clé et de validation expérimentale des matériaux de réacteurs de fusion et des technologies clés du combustible tritium, de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, du projet de recherche scientifique sur l'environnement écologique de la province d'Anhui, du projet d'innovation collaborative des universités de la province d'Anhui et de l'Institut de recherche énergétique du Centre national de sciences globales de Hefei (Laboratoire de l'énergie de la province d'Anhui).
Figure 1. Schéma du mécanisme d'étanchéité des traversées et de blindage contre les rayonnements des installations de fusion nucléaire par le caoutchouc de silicone flexible renforcé par des charges de PbWO4 micro-fusiforme
Figure 2. (a) Spectres simulés par Monte Carlo des neutrons incidents, (b) des rayons gamma après blindage par le composite en caoutchouc de silicone et (c) spectres simulés par Monte Carlo des rayons gamma secondaires
Figure 3. Courbes d'atténuation mesurées (a) des neutrons et (b) des rayons gamma du composite en caoutchouc de silicone et du béton de construction
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