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La fusion nucléaire commerciale pourrait être accélérée par la céramique AM »3dpbm

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L’agence de presse d’État chinoise Xinhua a rapporté que le Tokamak supraconducteur expérimental avancé (EST), dans une installation de la ville orientale de Hefei, a enregistré vendredi une température de plasma de 120 millions de degrés Celsius pendant 101 secondes. Il a également maintenu une température de 160 millions de degrés Celsius pendant 20 secondes, selon le rapport.

La Chine a ainsi franchi une nouvelle étape dans sa quête d’un réacteur à fusion, l’un de ses «soleils artificiels» supportant des températures extrêmes plusieurs fois plus longtemps que sa référence précédente, selon les médias d’Etat. Une étude souligne maintenant l’utilisation de l’impression 3D céramique dans la production d’énergie de fusion nucléaire et comment elle pourrait jouer un rôle clé dans le développement de futures centrales nucléaires commerciales à fusion.

Selon une étude menée par le professeur Chen Zhangwei et Lao Changshi de l’Université de Shenzhen, en coopération avec le Southwest Institute of Physics of the Nuclear Industry of China National Nuclear Corporation, des pièces en céramique imprimées en 3D pourraient être utilisées pour produire le combustible tritium nécessaire.

Les scientifiques ont proposé et réalisé la conception et la formation de pièces céramiques complexes en orthosilicate de lithium poreux basées sur un processus d’impression 3D de photopolymérisation. La structure du lit de microsphères pourrait introduire une nouvelle génération de dispositifs au tritium, montrant d’importantes perspectives d’application.

La fusion nucléaire utilise le deutérium et le tritium comme combustible. Alors que le deutérium est abondant, le tritium est presque inexistant dans la nature et doit être produit par la réaction catalytique continue de l’hélium et de la céramique au lithium. En tant que composant important du réacteur de fusion à confinement magnétique, la gaine de production de tritium à l’état solide est l’un des principaux problèmes qui doivent être résolus avant l’application commerciale de l’énergie de fusion.

la fusion nucléaire
(Impression 3D photopolymérisable d’une partie de l’unité tritium de la céramique orthosilicate de lithium et ses excellentes propriétés mécaniques. Source: Stdaily.com

À l’heure actuelle, le matériau multiplicateur de tritium préféré des scientifiques de divers pays est l’orthosilicate de lithium (Li4SiO4). La méthode dominante consiste à faire réagir des céramiques d’orthosilicate de lithium avec de l’hélium pour produire du tritium. Les scientifiques se réfèrent aux composants céramiques qui remplissent cette fonction comme une unité de production de tritium.

Pour que la suspension de poudre d’orthosilicate de lithium soit durcie rapidement après l’impression 3D, une méthode de durcissement appropriée doit être sélectionnée.

«L’impression 3D en céramique a deux méthodes principales de durcissement et de formage, l’une est la photopolymérisation et l’autre est le frittage ou la fusion sur lit de poudre.» Chen Zhangwei a déclaré que le frittage de poudre utilise des lasers à haute énergie pour fritter directement la poudre céramique à des températures élevées, ce qui est nécessaire pour la cuisson. Forme, mais parce que la température est relativement élevée, elle est sujette à la fissuration, et la précision et la contrôlabilité sont médiocres. La photopolymérisation a non seulement moins de défauts de fissuration et une plus grande précision d’impression, mais a également une forte capacité à contrôler les détails de la structure poreuse.

Par conséquent, l’équipe de recherche scientifique a choisi la méthode de photopolymérisation et a développé une suspension de poudre d’orthosilicate de lithium de haute pureté de phase pour l’impression 3D photopolymérisable.

Chen Zhangwei a déclaré: «Nous avons mélangé des composants d’additifs chimiques organiques optimisés dans la suspension de poudre d’orthosilicate de lithium, ainsi qu’une petite dose d’additifs photosensibles, qui sont sensibles à des longueurs d’onde spécifiques de la lumière, et utilisons une lumière ultraviolette de 405 nanomètres sur la suspension. Le matériau est irradié pour réaliser la photopolymérisation et le durcissement de la suspension. »

Les pièces structurelles imprimées en 3D sont frittées à haute température et cuites dans un environnement de 1050 degrés Celsius pendant 8 à 10 heures pour réaliser la porcelainisation. Divers additifs dans la structure solidifiée peuvent être éliminés, et l’eau et le dioxyde de carbone dans l’environnement ne seront plus générés. La réaction: «Ces additifs chimiques sont ajoutés physiquement et n’endommageront pas l’orthosilicate de lithium.» Chen Zhangwei a expliqué.

La chambre de réaction du DIII-D, un réacteur expérimental de fusion tokamak exploité par General Atomics à San Diego, qui est utilisé dans la recherche depuis son achèvement à la fin des années 1980 (Crédits: Rswilcox)

L’unité de production de tritium imprimée par cette méthode est une structure intégrée et sans défaut. Après les tests, il surmonte les problèmes de fiabilité causés par le taux de remplissage limité du lit de galets et la concentration de contraintes. Sa stabilité et ses propriétés mécaniques sont deux fois plus élevées que la structure traditionnelle des microsphères. .

L’efficacité de production de tritium de l’unité de production de tritium imprimée en 3D devrait également être grandement améliorée. Le rapport de service de la structure de microsphères traditionnelle peut atteindre 65%, tandis que l’impression 3D peut être ajustée de manière flexible entre 60% et 90% selon les besoins. La surface spécifique de l’orthosilicate de lithium est également fortement augmentée par rapport à la structure de la microsphère.

La technologie d’impression 3D a été internationalement reconnue comme extrêmement innovante dans la fabrication et l’application de composants céramiques de base pour la fusion nucléaire. Cette recherche a de grandes perspectives dans l’application des réacteurs à fusion, qui offriront plus de possibilités pour remplacer la structure traditionnelle de production de tritium en céramique sur lit de galets et favoriser la commercialisation de la technologie de réaction de fusion nucléaire Tokamak.



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