Des chercheurs de l’Université d’Helsinki ont établi, grâce à des simulations informatiques d’une ampleur exceptionnelle, que le tungstène, matériau privilégié pour les parois exposées au plasma dans les futurs réacteurs à fusion, pourrait subir davantage de dommages radiatifs primaires aux énergies pertinentes pour ces installations que ne le prévoient les modèles établis. Présenté par Phys.org le 15 août et accepté par Physical Review Letters, ce résultat pourrait modifier l’évaluation de la durabilité des composants soumis aux neutrons de fusion.
Les réactions de fusion libèrent des neutrons très énergétiques susceptibles de frapper un atome de tungstène et de l’éjecter de sa position dans le réseau cristallin. Cet atome en recul peut en heurter d’autres, déclencher une cascade de collisions et laisser des défauts dans le métal. Mesurer ces premiers instants est essentiel, car le tungstène doit résister à l’environnement extrême entourant le plasma surchauffé et électriquement chargé tout en conservant ses propriétés structurelles.
L’équipe menée par le premier auteur Jesper Byggmästar a utilisé une dynamique moléculaire guidée par apprentissage automatique et adaptée à une exécution efficace sur des processeurs graphiques. Les calculs ont suivi des énergies de recul atteignant 2 mégaélectronvolts dans des systèmes comptant jusqu’à un milliard d’atomes. Selon l’étude, les simulations atomistiques antérieures s’arrêtaient généralement à quelques centaines de kiloélectronvolts, laissant un écart avec les énergies bien supérieures couramment atteintes lors des expériences d’irradiation.
Sur cette plage élargie, les scientifiques ont identifié quatre régimes de production des dommages primaires. Les descriptions actuelles supposent en général que le nombre de défauts augmente d’abord moins vite que l’énergie de recul, puis de façon linéaire. Les nouveaux calculs révèlent au contraire un comportement supplémentaire à haute énergie, absent des modèles précédents, dont la transition commence près de 300 kiloélectronvolts, énergie maximale qu’un neutron issu de la fusion peut transmettre à un atome de tungstène.
Les simulations indiquent donc que les composants en tungstène approchant les énergies de recul propres à la fusion pourraient se dégrader davantage que ne l’avaient estimé les projections antérieures. Ce résultat ne signifie pas que le tungstène est inadapté et ne mesure pas la durée de vie d’un réacteur en fonctionnement. Il fournit un modèle révisé des défauts initiaux créés par un seul recul atomique, utilisable dans des calculs à plus longue échelle sur les dommages cumulés et la durée de service.
Le groupe d’Helsinki prévoit d’étendre cette méthode à des doses de rayonnement plus élevées, à de plus grandes échelles spatiales et à des simulations encore plus précises. Il étudiera aussi l’effet de la taille des grains, des joints de grains et des éléments d’alliage. Des comparaisons expérimentales et des travaux multi-échelles seront nécessaires avant une application à des concepts précis de réacteurs, mais ce calcul d’un milliard d’atomes offre déjà une nouvelle base pour rechercher des parois plus durables.
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