L'Institut de recherche sur l'énergie de Hefei réalise des progrès dans l'étude de la compatibilité des matériaux de fusion avec les métaux liquides, fournissant une base pour la sélection des matériaux de couverture et de première paroi

L'équipe de recherche du Centre de recherche sur les applications des techniques neutroniques de l'Institut de recherche sur l'énergie du Centre national des sciences intégrées de Hefei a récemment réalisé des progrès importants dans l'étude de la compatibilité des matériaux et des mécanismes d'évolution des performances dans un environnement à métal liquide de réacteur de fusion nucléaire. L'équipe s'est concentrée sur les caractéristiques de corrosion à long terme de l'acier inoxydable austénitique résistant à la chaleur et de l'alliage résistant à la chaleur à base de fer-nickel dans le plomb-lithium liquide statique à haute température, ainsi que sur les mécanismes de dommage par contact du composite à matrice de tungstène renforcé de fibres de tungstène avec le lithium liquide ; les résultats concernés ont non seulement été publiés dans des revues académiques de premier plan dans le domaine des matériaux nucléaires, mais ont également été présentés lors du 9e Symposium international sur les applications des métaux liquides dans le domaine de la fusion.

Le lithium liquide et l'alliage eutectique plomb-lithium, grâce à leurs excellentes performances de multiplication neutronique, de transfert thermique et de résistance aux charges thermiques élevées, sont considérés comme les fluides de travail candidats les plus prometteurs pour la première paroi composite liquide-solide face au plasma et la couverture de production de tritium des dispositifs de fusion à confinement magnétique. Cependant, dans des conditions de service extrêmes à haute température de plusieurs centaines de degrés, les métaux liquides sont très susceptibles de provoquer une forte érosion chimique et un décapage physique des parois structurelles métalliques en contact direct avec eux, entraînant une dissolution sélective des éléments d'alliage à l'échelle microscopique, une dégradation des propriétés mécaniques et une attenuation des performances de transfert thermique, ce qui limite directement la sécurité de service à long terme des composants essentiels de la fusion.

Concernant les matériaux structurels candidats pour la couverture de multiplication au plomb-lithium à haute température, l'équipe de recherche a mené des expériences comparatives de corrosion statique accélérée d'une durée de 1000 heures sur de l'acier inoxydable austénitique à haute teneur en chrome et nickel et un alliage fer-nickel dans un environnement de plomb-lithium liquide statique à 700 degrés Celsius. L'expérience a systématiquement suivi le taux de perte de masse des échantillons, l'évolution de la microstructure et la profondeur de diffusion des éléments. Les résultats montrent que la performance globale de résistance à la corrosion par le plomb-lithium de l'acier austénitique à haute teneur en chrome et nickel est supérieure à celle de l'alliage fer-nickel, mais les deux types de matériaux présentent un phénomène commun de dissolution préférentielle des composants d'alliage chrome et nickel vers le plomb-lithium liquide lors d'une attaque en profondeur, laissant dans les zones de joints de grains une couche de corrosion non uniforme de type alvéolaire poreux ; les expériences ont également révélé qu'un film d'oxyde métallique complet et dense préformé in situ à la surface du métal peut jouer un rôle de barrière physique au stade initial, retardant efficacement la vitesse d'érosion chimique du plomb-lithium à haute température sur le matériau de base.

Concernant l'étude de compatibilité des matériaux réfractaires candidats pour la première paroi composite liquide-solide, l'équipe de recherche a testé la morphologie des dommages du composite à matrice de tungstène renforcé de fibres de tungstène après 500 heures d'immersion et de balayage dans du lithium liquide statique à 350 degrés Celsius et 550 degrés Celsius. La caractérisation microscopique a confirmé que la zone des fibres de tungstène de renforcement présente principalement une corrosion intergranulaire caractéristique et une piqûration microscopique, tandis que la zone de matrice métallique est dominée par une dissolution préférentielle aux joints de phases et aux bords. Après une forte corrosion à 550 degrés Celsius, la microdureté de la zone de matrice du composite a subi une chute notable de plus de 54 %, accompagnée d'une diminution de la diffusivité thermique, révélant un effet d'affaiblissement significatif de l'érosion par le lithium liquide à haute température sur la capacité de charge mécanique à haute température et l'évacuation de la chaleur des matériaux en tungstène. L'analyse indique que l'optimisation du procédé de frittage métallurgique des poudres pour augmenter considérablement la densité du matériau et éliminer les vides microscopiques permet de réduire efficacement la surface d'immersion du fluide de travail, améliorant ainsi significativement la résistance à la corrosion.

Par la suite, l'équipe accélérera la construction d'une plateforme expérimentale intégrée combinant irradiation par plasma à haute température et canal d'écoulement de métal liquide, adaptée à l'environnement complexe à couplages multi-champs des réacteurs de fusion, afin de poursuivre l'évaluation de la corrosion dynamique par métal liquide en écoulement, la simulation de compatibilité multi-échelles ainsi que le développement d'équipements de détection non destructive in situ des performances en service, fournissant un support de données fondamental pour la sélection d'ingénierie des matériaux de couverture à métal liquide et de première paroi des futurs réacteurs de fusion.