Des composites tungstène-diamant face aux plasmas de fusion ?

Le matériau de référence actuel pour les composants face au plasma d’ITER et des projets de centrale à fusion est le tungstène. Cependant, soumis aux flux thermiques extrêmes de ces machines, ses propriétés mécaniques s’altèrent. L’association du tungstène et du diamant, qui présente une conductivité thermique très élevée, est une voie développée au CEA-IRFM pour élaborer un composite qui peut conjuguer les avantages du tungstène et ceux du diamant. Un brevet a été déposé, des premiers échantillons fabriqués et les premiers tests se sont révélés prometteurs.

Les matériaux d’armure des composants face au plasma considérés actuellement pour les machines de fusion par confinement magnétique impliquent typiquement des métaux réfractaires « haut Z » tels que le tungstène (W) [1]. Malgré son haut point de fusion, sa faible rétention du tritium [2] et sa bonne tolérance à l’érosion, le W est enclin à la recristallisation, la fissuration et/ou la fusion sous chocs thermiques à cause de limitations portant sur ses propriétés thermomécaniques [3].

Le carbone, sous forme de graphite ou de composite fibré, n’est plus considéré comme matériau face au plasma à cause notamment de sa forte capacité de rétention du tritium [4]. En revanche, le carbone sous forme de diamant obtenu par déposition chimique en phase vapeur (CVD) [5] a un faible niveau de rétention après exposition à des plasmas [6] et des performances exceptionnelles sous choc thermique [7] grâce à son excellente conductivité thermique (20 fois plus importante que celle du W à 300 K). Malheureusement, le diamant sous cette forme a tendance à s’éroder presque aussi facilement que le graphite [8,9].

Pour cette raison, a été imaginé un composite de tungstène-diamant fait d’un substrat de diamant CVD d’une épaisseur millimétrique, pour une distribution rapide et uniforme de la chaleur au flux de chargement attendu, avec un revêtement de W d’une dizaine de micron d’épaisseur à sa surface pour agir comme une protection contre l’érosion.

Ce matériau, ses applications comme armure sous haut flux de chaleur et son procédé de fabrication font maintenant l’objet d’un brevet qui a été déposé à l’Institut National de la Propriété Industrielle [WO2026008640A1].

Ceci est le résultat d’une étude durant laquelle des échantillons de W-diamant de 10×10 mm ont été fabriqués et testés sous haut flux de chaleur sur la station Laser CHAUCOLASE [10] de l’Institut Fresnel à l’Université de Marseille. Ces essais ont permis de vérifier une bonne tenue de ce matériau après différents chargements thermiques représentatifs de ce qui est attendu dans ITER (10⁴ cycles de 1 ms à 2 GW.m^-2, 20 cycles de 1 s à 100 MW.m^-2) [11]. Le laboratoire PIIM de l’Université Aix-Marseille, en charge des caractérisations n’a constaté aucune fissure, aucune fonte ni délamination. Pour comparaison, des échantillons tests en W massif se sont tous fissurés ou ont fondu en surface dès leur exposition aux plus faibles contraintes thermiques (voir exemple en Figure 1). L’étape prochaine de ce développement consiste à proposer un composant face au plasma complet, qui pourra être testé dans WEST.

Figure 1 :
a) Echantillon de W-diamant après 1 à 20 cycles (dans les régions indiquée) de 1 s à 100 MW.m^-2.
La région centrale a été soumise à un évènement unique d’un dépôt continu de 10 s à 100 MW.m^-2
b) Imagerie au microscope électronique de la surface au milieu de la zone de dépôt de puissance (après 20 cycles) et d’une surface non exposée.
c) Comme a) pour un échantillon en W massif.
d) Imagerie au microscope optique d’une surface en W massif soumis à la plus faible charge thermique.