La DRF, la DAM et la DRT ont allié leurs compétences pour réaliser des maquettes pour les composants du divertor de DEMO. Le défi consiste à améliorer les performances du concept existant en misant sur l’implantation de matériaux à gradient de fonction comme couche intercalaire entre un matériau face au plasma (tungstène) et un matériau de structure (alliage de cuivre). La DRF, par son expérience dans le développement des composants face au plasma et dans leur exploitation en tokamak, a eu en charge de concevoir et qualifier les composants. Grâce à l’expertise de la DAM dans les techniques de fabrication additive, le matériau à gradient a été réalisé par « cold spray » au Ripault. Ainsi, après optimisation des paramètres liés à cette technique de fabrication, un matériau homogène et constitué d’une composition chimique souhaitée a pu être fourni. Grâce aux compétences de la DRT dans le domaine des technologies d’assemblage, les paramètres adéquats de l’assemblage par compression isostatique à chaud ont été définis pour aboutir aux maquettes souhaitées. Cette collaboration est un succès puisque les maquettes ont tenues les sollicitations requises !
Afin de répondre aux contraintes extrêmes subies par les cibles du divertor du réacteur DEMO en termes de flux de chaleur (~10 MW/m² en stationnaire et 20 MW/m² en transitoire) et de flux neutroniques, plusieurs options de design et de matériaux sont envisagées pour ce composant.
Depuis 2014, au sein de projets Européens, différents concepts de cibles sont comparés au concept de référence (Concept pour la cible du divertor d’ITER) en se basant essentiellement sur leur capacité à extraire la chaleur aux flux requis. Le concept de référence est fabriqué par l’ENEA (Italie). Pour ces composants, le tungstène est utilisé comme matériau d’armure. Les concepts dits « avancés » développés par KIT (Allemagne), IPP (Allemagne), CCFE (Royaume Uni) et le CEA (IRFM) portent majoritairement sur les améliorations du matériau de structure et de la liaison entre le matériau d’armure et de structure. L’IRFM a ainsi proposé une solution visant à améliorer la tenue en fatigue de la liaison en réduisant les contraintes aux interfaces. La solution : l’utilisation d’un matériau à gradient de composition d’une épaisseur suffisante pour réduire les contraintes aux interfaces. Nous avons ainsi défini les géométries, les formes d’intérêts, qui nous ont naturellement orienté vers des solutions d’assemblage et de méthodes de fabrication du matériau à gradient de composition. Dans cette configuration, l’épaisseur du matériau à gradient est de 500 µm.
Pour aboutir aux maquettes, nous nous sommes basés sur l’expérience acquise au CEA. La DRT (LITEN) bénéficie en effet d’une expérience conséquente dans le domaine de l’assemblage par compression isostatique à chaud. L’expérience de la DRT est d’ailleurs utilisée pour la fabrication de composants pour ITER. Quant à la fabrication du gradient de composition, la DAM bénéficie d’un savoir incontournable dans la fabrication additive par dépôt « cold spray ». Ainsi, après deux années de développement, les maquettes utilisant un matériau à gradient de composition W/Cu entre le matériau d’armure (W) et le matériau de structure (CuCrZr) ont été produites. A l’aide des collaborations dont nous disposons (IPP Garching, JÜLICH), des tests à hauts flux en fatigue (1000 cycles) jusqu’à 20 MW/m² ont ensuite été réalisés. Après ces tests, aucune dégradation du comportement thermique n’a été mise en évidence. Les analyses métallographiques des interfaces confirment également cette intégrité. Afin de vérifier l’apport de ce concept par rapport au concept de référence, il reste quelques points à optimiser, comme la qualité du matériau de structure après fabrication. Une fois ces dernières optimisations réalisées, la limite en fatigue pourra ensuite être définie.
Au-delà des développements du matériau à gradient de composition W/Cu, matériau qui ne pourra pas être utilisé pour un réacteur de par la présence de cuivre qui se fragilise sous irradiation, la collaboration entre la DRF, la DRT et la DAM permet également de définir un matériau à gradient idéal pour le cas réacteur. Ce développement a lieu actuellement par l’intermédiaire d’un Programme Transverse de Compétences Matériaux et Procédés pour la transition du tungstène vers l’EUROFER.
Maj : 17/06/2019 (756)
