​Dans le cadre du consortium EUROfusion, le CEA développe depuis 2021 un concept innovant de composants face au plasma pour un futur divertor en tungstène du tokamak JT-60SA. Ce concept pourra résister à des flux de chaleur plus importants que ceux qui peuvent être supportés par les concepts actuels, tout en présentant un coût de fabrication compétitif au regard des performances obtenues.

Actuellement, les composants des divertors des tokamaks activement refroidis peuvent résister à des flux de chaleur de 10 MW/m² en régime stationnaire et 20 MW/m² pendant des excursions transitoires. Ces composants sont basés sur l'utilisation de tungstène face au plasma, sous forme de monobloc ou de tuile, assemblés sur un dissipateur thermique en alliage de cuivre (CuCrZr) dans lequel un canal de refroidissement est inséré (Figure 1). Cependant, cette approche présente des restrictions géométriques liées à l'usinage. La fabrication additive offre une alternative intéressante, permettant de réaliser en une seule étape la pièce complète, avec une plus grande liberté sur la forme des canaux de refroidissement.

Les équipes du CEA ont exploré des concepts alternatifs visant à améliorer l'échange thermique dans le canal de refroidissement, avec comme objectif la réalisation d'un composant final avec une couverture tungstène sous forme de tuile plate (Figure 1), plus aisé à fabriquer. Le choix s'est porté sur des géométries inspirées de l'HyperVapotron [2,3], « diagonal » et « chevron », adaptées aux contraintes de la fabrication par fusion laser sur lit de poudre (angles d'impression, épaisseurs minimales de matière, etc.). Par la réalisation de calculs CFD (Computational Fluid Dynamic), les géométries des promoteurs d'échanges ont pu être définies. Ces maquettes en CuCrZr ont ensuite été fabriquées au LITEN (Figure 2).

Une contrainte majeure de la fabrication additive réside dans la porosité résiduelle post-impression qui impacte notamment la capacité d'extraction de chaleur des composants fabriqués. Afin de refermer ces porosités, un traitement de compression isostatique à chaud a été appliqué. La densité a ainsi pu être augmentée de 98,8 % à 99,8 %. La capacité d'extraction de chaleur des maquettes fabriquées a été testée jusque 25 MW/m² sur l'installation de tests à hauts flux de l'IRFM. Aucun endommagement visuel n'a été observé, démontrant ainsi les excellentes performances de ce concept et laissant entrevoir des perspectives très prometteuses pour le composant final.

Ces études vont être poursuivies par des activités de tests en fatigue dans le cadre EUROfusion et des activités de simulation et d'optimisation numérique des circuits de refroidissement. Toujours le cadre d'EUROfusion, des maquettes complètes seront fabriquées et testées afin d'étudier l'impact du procédé de fabrication global sur le comportement des composants.

Figure 1 : Exemples de configurations de composants face au plasma (tuile plate - gauche) et monobloc (droite) vue éclatée d’un composant utilisant une configuration monobloc