[Publication] Formation de bulles dans de l’étain liquide exposé à un plasma d’hydrogène

Une paroi métallique liquide est en outre quasiment insensible à l’irradiation causée par les neutrons produits par la réaction de fusion, ce qui réduit les contraintes d’exploitation et de maintenance. Enfin, l’incorporation de lithium dans cette paroi pourrait permettre la production de tritium, combustible de la réaction de fusion, au plus près du plasma.
Cette option technologique est particulièrement attractive pour les parois qui doivent endurer les flux de chaleur les plus importants, comme dans la région du divertor.

Deux concepts coexistent aujourd’hui. Le plus étudié prévoit une paroi en étain liquide, maintenue en place par une grille ou une autre structure poreuse (CPS pour Capillary Porous Structure) en tungstène, qui resterait elle à l’état solide. Le tokamak COMPASS Upgrade de l’IPP Prague utilisera pour la première fois à partir de 2025 un divertor complet construit sur ce principe.

Une autre approche prévoit d’utiliser un écoulement de métal liquide qui serait uniquement maintenu en place grâce aux forces de Lorentz, sans CPS : cette option est celle explorée par la start-up Renaissance Fusion, qui ambitionne la production d’électricité par fusion nucléaire dès 2033.

L’une des principales limitations connues à l’utilisation de métaux liquides est l’apparition d’instabilités magnétohydrodynamiques (MHD) résultant de l’action combinée des courants électriques circulant dans ces parois et du fort champ magnétique requis pour confiner le plasma. Ces instabilités peuvent conduire à l’éjection de gouttelettes de métal liquide dans le plasma.

Dans cet article, nos chercheurs ont étudié le comportement d’une surface d’étain liquide maintenue en place par des CPS avec différentes tailles de maille, dans deux types de plasma, dont celui de la machine MAGNUM-PSI, qui reproduit les conditions du plasma de divertor du futur tokamak ITER. Ils ont mis en évidence la formation de bulles résultant de la super-saturation du métal liquide en espèces gazeuses provenant du plasma à des fluences élevées (1023-1024 m-2s-1). Les interactions plasma / métal liquide sont étudiées par imagerie rapide (4000 image/s) et un modèle est proposé pour rendre compte des observations expérimentales.

Références :

Titre : Bubble formation in liquid Sn under different plasma loading conditions leading to droplet ejection
Auteurs : Wei Ou, Frédéric Brochard, Thomas W. Morgan
Nom de la revue : Nuclear Fusion
Date de parution : 18 mai 2021
Liens :
https://doi.org/10.1088/1741-4326/abf9e0
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03229685

Légende des images :
Séquence d’images montrant un échantillon d’étain liquide exposé à un plasma d’hydrogène dans la machine MAGNUM-PSI. Sous l’effet de la super-saturation de l’étain en hydrogène, la surface de métal liquide se dilate et déborde légèrement du CPS (a). L’éclatement des bulles d’hydrogène dans l’étain produit alors l’éjection de métal liquide dans le plasma (image b), avant que l’étain liquide ne reprenne sa place (c).