​Dans un réacteur de fusion tel que le tokamak ITER, le plasma peut parfois devenir instable et provoquer une disruption, un phénomène brutal qui peut endommager les parois de la machine. Pour limiter ces risques, ITER sera prochainement équipé d'un Disruption Mitigation System (DMS) qui repose sur l'injection massive de glaçons cryogéniques fragmentés en entrée de la chambre du plasma. Pour concevoir ce système en toute sécurité, il est nécessaire de comprendre comment ces solides se fragmentent et quelle force ils exercent lors de leur impact sur les composants du réacteur.

Les premiers essais avec de la glace d'eau

Les solides cryogéniques utilisés dans ITER peuvent être formés pour des températures avoisinants les -268°C avec des méthodes de condensation in-situ, ce qui empêche toutes manipulations et rend difficile les observations pendant la formation. Pour ces raisons, avant de travailler avec des matériaux cryogéniques, les équipes du CEA-Irig se sont intéressées à un matériau mieux connu de la littérature : la glace d'eau. Des glaçons de taille comparable à ceux prévus pour ITER ont été fabriqués, puis projetés à 30 m/s sur une barre en aluminium. Les scientifiques ont ainsi pu mesurer la force d'impact et observer la propagation des fissures. Ces expériences ont permis de valider expérimentalement l'utilisation d'un modèle d'endommagement pour des matériaux fragiles, dans des conditions d'essais similaires à celles d'ITER.

L'étape clé : l'hydrogène solide à très grande vitesse

La seconde phase du projet consistait à mesurer la force d'impact de solides cryogéniques pouvant être constitués d'hydrogène, de néon, de deutérium ou d'un mélange de ces matériaux. Le banc d'essai, conçu au CEA-Irig, permet de fabriquer ces solides cryogéniques pour ensuite les propulser à des vitesses allant jusqu'à 500 m/s, d'en mesurer la force d'impact avec une acquisition atteignant 1 MHz et de filmer l'impact jusqu'à un million d'images par seconde.​

Figure 1 : Images séquentielles de l'impact d'un glaçon d'hydrogène solide

Pour une étude spécifique de répétabilité, 18 tirs d'hydrogène solide ont été réalisés dans des conditions de formation et de propulsion automatisés. Les chercheurs ont ainsi pu observer précisément la fragmentation de ces glaçons et à suivre l'évolution de la force exercée lors de l'impact.

Figure 2 : Evolution de la force d'impact en fonction du temps pour une série de 18 tirs d'hydrogène solide à 500 m/s

Des résultats prometteurs pour les réacteurs de fusion nucléaire

Ces premières mesures montrent que le comportement des solides cryogéniques peut dépendre des paramètres de fabrication (température, pression, conditions d'injection du gaz), mais aussi du dispositif expérimental utilisé pour les mesurer.

L'analyse détaillée des données est encore en cours, mais ces résultats constituent déjà une avancée majeure pour la sûreté et la performance des systèmes de fusion. Ces travaux ont permis de développer des dispositifs instrumentaux et des modèles numériques spécialement dédiés aux fragmentations des solides cryogéniques injectés dans les réacteurs, avec l'appui des méthodes utilisées pour la glace d'eau. Les prochaines recherches concernant l'impact de solides cryogéniques utiliseront des plaques inclinées, plus proches des conditions réelles rencontrées dans ces réacteurs.