Améliorer la fabrication des capsules IFE avec une méthode de gouttelettes microfluidiques

L’énergie de fusion est encore à 30 ans de nous… et le restera toujours.

Cette plaisanterie est sans doute vraie concernant l’énergie de fusion inertielle (IFE: inertial fusion energy), qui doit surmonter de nombreux obstacles avant de pouvoir devenir une réalité. Notamment, les méthodes actuelles de fabrication des capsules IFE qui ne permettent pas de respecter les exigences en termes de demande et de coûts. Pour résoudre ce problème, des chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode microfluidique susceptible de remédier aux difficultés de production, tout en respectant les règles de conception géométrique des capsules IFE.

Relever les défis de production des capsules IFE

Pour produire de l’énergie de fusion inertielle (IFE), la fusion par confinement inertiel (ICF) utilise plusieurs lasers haute puissance afin de chauffer des capsules correspondant à des coques de petite taille (environ 2 mm de diamètre), concentriques et parfaitement sphériques. Ces coques contiennent du combustible nucléaire congelé sous forme d’isotopes de l’hydrogène, subissant une fusion nucléaire lorsqu’ils sont comprimés et chauffés à une certaine température (~100 000 000°C).

Typiquement, un réacteur à fusion devrait consommer environ 1 million de capsules par jour. Il y a donc deux prérequis pour que ce type de fusion soit viable sur le plan commercial:

1. Le coût des capsules doit être d’environ 0.20$ chacune
2. Le procédé de production doit être suffisamment rapide pour répondre à la demande

Par ailleurs, ces capsules doivent respecter certaines spécifications. Le professeur Barrow, membre d’une équipe de recherche de la School of Engineering à l’Université de Cardiff, explique que les capsules IFE ne requièrent “pas seulement une sphéricité et une concentricité supérieures à 99.99% ainsi qu’une rugosité de surface inférieure à 50 nm. Elles doivent également comporter un revêtement interne réfléchissant, doivent diffuser la lumière et être extrêmement robustes puisqu’elles seront propulsées à 1 000 m/s par un canon pneumatique, en contenant du combustible nucléaire congelé à une température d’environ 18K!”

Une microcapsule pouvant être utilisée en ICF. Image publique, extraite de Wikimedia Commons.

Atteindre ces objectifs de production d’IFE n’est pas possible avec les méthodes actuelles de fabrication des capsules, qui nécessitent des capsules sur mesure et à un coût élevé de plusieurs milliers de dollars chacune. Ce problème constitue un obstacle majeur à la production d’IFE.

L’équipe de recherche de l’Université de Cardiff souhaite contribuer à résoudre ce problème. Quelle solution propose-t-elle? La réponse consiste en un réacteur microfluidique à flux continu qui utilise des micro-gouttelettes multiphasiques afin de générer une émulsion double de goutellettes monodispersées. Ces gouttelettes sont ensuite utilisées comme modèles pour fabriquer les coques nécessaires aux capsules IFE. Examinons le procédé mis au point par les chercheurs dans la section suivante.

Analyse des 3 étapes de cette méthode innovante de fabrication de capsules IFE

Il y a trois étapes dans ce nouveau procédé de fabrication de capsules IFE:

1. Formation de gouttelettes par émulsion double
2. Remodelage des gouttelettes issues de l’émulsion double
3. Polymérisation très rapide des coques

Les chercheurs ont étudié et optimisé chacune de ces étapes à l’aide d’essais expérimentaux et de simulations.

Etape 1: Formation des gouttelettes par émulsion double

A l’aide d’une jonction innovante de forme “bat-wing”, les chercheurs étaient capables de former des gouttelettes monodispersées par émulsion double. Ils ont examiné l’écoulement de ce procédé de formation de gouttelettes avec des simulations d’écoulement diphasique.

Les résultats mettent en évidence un mécanisme de séparation des gouttelettes de type “satellite”. Les gouttelettes restent momentanément immobiles dans une “zone de repos” située à la jonction bat-wing, ce qui leur permet de fusionner avec les gouttelettes suivantes de la phase dispersée. Ce mécanisme améliore l’uniformité des gouttelettes d’émulsion double.

À la fin de cette étape, l’émulsion double s’écoule de manière ascendante à travers un réacteur optofluidique, qui comporte plusieurs LEDs UV afin de réaliser avec précision la photopolymérisation des capsules.

Etape 2: Remodelage des gouttelettes issues de l’émulsion double

La seconde étape du procédé consiste à remodeler la forme géométrique des gouttelettes dans un fluide en mouvement. Les chercheurs ont utilisé le logiciel COMSOL Multiphysics® pour calculer la position et la forme des gouttelettes au sein du fluide porteur en mouvement. Leur objectif était d’optimiser la concentricité et la sphéricité des gouttelettes d’émulsion double, afin de répondre aux exigences géométriques des capsules IFE avant l’étape de polymérisation des coques, qui fixe définitivement la géométrie.

L’équipe a réussi à remodeler les gouttelettes dans un écoulement ascendant en ajustant les paramètres d’écoulement dans le cas où la densité du solvant ne correspondait pas à celle de la gravité. Les conditions d’écoulement ont été optimisées à l’aide du module Microfluidics, que les chercheurs ont utilisé pour déterminer les principaux paramètres d’entrée à ajuster afin de générer des gouttelettes concentriques et sphériques.

Utilisation de la simulation pour mener une étude d’optimisation de forme des gouttelettes d’émulsion double, pour différentes conditions d’écoulement. Image fournie par Jin Li.

Les chercheurs ont utilisé un dispositif de détection des gouttelettes (composé d’un émetteur laser rouge, d’un phototransistor et d’un microprocesseur) pour évaluer la forme des gouttelettes d’émulsion double au fur et à mesure de leur formation. Cet outil montre que lorsqu’elle traverse verticalement le faisceau de détection horizontal, une gouttelette non concentrique génère un signal “en forme de V” en raison de sa morphologie. En revanche, une gouttelette concentrique génère un signal “en forme de W” en raison des effets de lentille identiques entre ses pôles.

L’équipe de recherche a conclu que, puisque la forme des gouttelettes d’émulsion double génère des signaux de détection différents au niveau du phototransistor, ces signaux pourraient être utilisés pour déterminer la forme des gouttelettes. Par exemple, un signal “en forme de W” émis par le phototransistor indique que la gouttelette présente une concentricité suffisante pour le processus de photopolymérisation. Des simulations réalisées à l’aide du module Ray Optics, un add-on du logiciel COMSOL Multiphysics®, confirment ces résultats.

Etape 3: Polymérisation ultrarapide des coques

Dans la troisième étape, les gouttelettes générées lors des étapes précédentes sont solidifiées une par une afin d’être utilisées comme modèles pour les capsules IFE. Cette solidification est réalisée par un réacteur optofluidique qui utilise des LEDs UV allumées automatiquement par un processeur. Grâce à la simulation, la géométrie du réacteur est optimisée afin de garantir la génération en son centre d’un rayonnement UV uniforme en présence de fluides. Ce rayonnement uniforme devrait permettre au réacteur d’effectuer une photopolymérisation homogène dans la couche externe des gouttelettes, contribuant ainsi à la formation de coques sphériques et concentriques. La qualité de ces coques dépend du timing, du mouvement des gouttelettes, des conditions d’écoulement et de l’uniformité de la solidification.

Le réacteur optofluidique utilisé pour solidifier des coques de polymère. On peut voir également les dissipateurs à ailettes de chaque LED. Image fournie par Jin Li.

Le procédé général de photopolymérisation se déroule de la manière suivante:

1. Une fois qu’une gouttelette a été détectée, un délai (d) est observé afin de permettre à la gouttelette de se déplacer vers le centre du champ d’irradiation UV
2. Les LEDs s’allument temporairement pendant une durée d’exposition T (ms) et solidifient la gouttelette.

Dans la conception actuelle, les chercheurs ont fixé T à 70 ms. Ils ont toutefois constaté que le fait de modifier d par intervalles courts de 1 ms entraînait diverses formes globulaires concernant les coques des capsules. Par exemple, pour un débit d’entrée donné, lorsque d est de 163 ms, la forme de la coque solidifiée est approximativement concentrique et sphérique. Cependant, lorsque d se situe entre 160 ms et 162 ms, ou entre 164 ms et 167 ms, les coques prennent une forme de perle. D’autres valeurs de d n’ont même pas permis de générer des coques continues en raison de la diffusion de la lumière UV par la structure intrinsèque du réacteur. Les variations de forme pourraient résulter d’une absorption inégale de l’énergie issue de la lumière UV, ce qui peut entraîner une photopolymérisation inégale à l’intérieur de la coque.

Grâce à la simulation, les chercheurs ont également pu évaluer l’influence du mouvement des gouttelettes sur la qualité finale des coques. La quantité totale de rayonnement UV sur la couche externe varie en fonction de la position exacte de la gouttelette. Par exemple, la distribution d’énergie rayonnée au sein de la coque est répartie de manière relativement uniforme lorsque les gouttelettes sont localisées au point focal du réacteur. La quantité de rayonnement change lorsque la gouttelette est en mouvement. Si les gouttelettes s’éloignent du point focal du réacteur, la distribution d’énergie rayonnée est moins continue, ce qui entraîne la présence de zones à plus haute énergie dans la couche externe.

La disparité d’énergie rayonnée pourrait modifier la vitesse de photopolymérisation et entraîner des variations de volume et de contraintes mécaniques au sein de la couche de polymère en cours de solidification, ce qui pourrait donner lieu à des coques solides moins sphériques et moins concentriques. Pour remédier à ce problème, l’équipe a dû mettre au point un procédé de solidification uniforme permettant une diffusion homogène de la lumière UV. Dans le cadre d’un procédé qui solidifie en continu chaque gouttelette, il est possible d’obtenir une diffusion homogène de la lumière UV en utilisant des temps d’exposition courts pour les sources lumineuses.

Faire progresser l’énergie de fusion grâce à une nouvelle méthode de fabrication de capsules IFE

Dr. Jin Li, un autre chercheur de l’équipe, affirme que cette nouvelle approche “offre une voie prometteuse pour la production à grande échelle de ces capsules IFE”. Cette méthode innovante pourrait permettre d’augmenter le rythme de production des capsules IFE afin de répondre aux besoins futurs. Il note également que les coques de polymère obtenues et prêtes à l’emploi sont proches des spécifications requises, car “le rendement [des] coques est proche de 100%, avec une cadence de production pouvant atteindre 15 Hz, et une concentricité moyenne ainsi qu’une sphéricité moyenne toutes les deux égales à 99,41%, les gouttelettes monodispersées dans l’écoulement ayant été traitées chacune de la même manière”.

Concernant les coûts de production, Barrow souligne que cette nouvelle méthode pourrait leur permettre de produire des capsules IFE à un prix proche de l’objectif fixé (0.20 $ l’unité). Le procédé est également automatisé et hautement reproductible. De plus, en modifiant les conditions de l’écoulement, il est possible de produire des gouttelettes d’émulsion double de différentes tailles. Cela signifie que les chercheurs peuvent utiliser cette technique pour fabriquer des capsules de différentes dimensions, répondant ainsi aux exigences de différents réacteurs ICF.

Barrow mentionne également que dans le domaine de la production d’énergie, “l’énergie de fusion pourrait sauver la planète, mais l’un de ses inconvénients est qu’elle reste extrêmement sophistiquée et centralisée”. Grâce à la recherche par la simulation, ces défis peuvent être relevés, ouvrant la voie à une concrétisation de l’énergie de fusion.

Ressources complémentaires

• Consultez l’article d’origine du chercheur: “Continuous and scalable polymer capsule processing for inertial fusion energy target shell fabrication using droplet microfluidics“
• Découvrez la jonction fluidique bat-wing dans ce précédent article de blog et dans la publication associée