Dans un tokamak, les composants face au plasma (CFP) du divertor sont ceux exposés aux flux de chaleur et de particules les plus intenses et leur résistance impacte les performances maximales accessibles par le plasma. Les CFP testés dans WEST et appelés « monoblocs », sont constitués de composants en tungstène (métal à la température de fusion la plus élevée), assemblés sur un alliage de cuivre CuCrZr (excellent conducteur de chaleur) refroidi par une circulation d'eau.
Ces CFP sont les plus résistants développés à ce jour. Dans ITER ils seront capables de résister à des flux thermiques de l'ordre de 10 MW/m² en continu et jusqu'à 20 MW/m pendant quelques secondes. Leur installation est également prévue dans les tokamaks JT-60SA au Japon et DTT en Italie.
Un nouveau design sans point faible inspiré des toits des maisons provençales
Orienté dans la direction poloïdale, ces monoblocs présentent tout de même une faiblesse au niveau des arêtes (Figure 1) : plus exposés aux flux thermiques, elles peuvent fondre et des fissurations de ces CFP ont déjà été observées sur WEST.
Figure 1 : Une cassette du divertor d'ITER. L'insert montre une vue rapprochée du divertor de WEST mettant en évidence les arêtes vives des monoblocs.
Les équipes de recherches de l'IRFM ont développé un nouveau concept afin d'augmenter leur résistance.
Inspiré par les toits Provençaux habillés en tuiles romaines (Figure 2), l'idée consiste à orienter les CFP non pas dans la direction purement poloïdale mais dans une direction entre la direction poloïdale et la direction toroïdale. Ces CFP, vus par le plasma, ne présenteraient aucune arête vive, ce qui augmenterait leur résistance.
Figure 2 :
(a) Schéma de la cible verticale du divertor extérieur d'ITER à gauche, et du nouveau concept à tubes à droite.
(b) Croquis de la conception alternative du divertor. Les tubes de refroidissement sont blindés par des billes coniques en tungstène permettant de les cintrer pour épouser la forme souhaitée du divertor. Le pas des billes coniques est fortement exagéré pour plus de clarté.
En réalité, avec des pas radiaux de seulement 0,5 mm entre les bords d'attaque et de fuite de billes d'environ 2 cm de diamètre, ces pas radiaux seront à peine perceptibles à l'œil nu.
De nouvelles perspectives de recherche et un prototype bientôt mis à l'épreuve
Ces recherches ouvrent sur de nouvelles perspectives et sujets d'études, comme l'optimisation de l'angle d'alignement en termes d'évacuation de chaleur et de flux critique, la fabricabilité d'une telle géométrie, le dimensionnement aux forces électromagnétiques, etc. Ces questions seront abordées lors de développement à venir avec l'objectif de fabriquer un prototype, de le soumettre à des tests à haut flux thermique et les installer à termes dans le tokamak WEST.
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