À l'intérieur de l'acier d'un futur réacteur de fusion se forment de minuscules bulles d'hélium, et sur leurs parois se joue un drame chimique. Les atomes de chrome et de tantale, tels des gardiens, prennent place à la limite de la cavité et changent les règles du jeu pour l'hydrogène.

Des échantillons d'acier F82H ont été irradiés simultanément avec des ions de fer, d'hydrogène et d'hélium à 500 °C. Après un tel bombardement, des cavités remplies d'hélium sont apparues dans le métal. Le microscope électronique a montré que le chrome et le tantale s'étaient accumulés sur leurs parois, tandis que le tungstène restait uniformément réparti. C'est ce qu'on appelle la ségrégation, c'est-à-dire l'accumulation d'impuretés à l'interface.

Pour comprendre comment les gardiens influencent les prisonniers, les scientifiques ont construit des modèles informatiques de la surface du fer avec des amas d'hélium et des impuretés. Les calculs ont montré que le chrome, le tantale et le tungstène renforcent la liaison de l'hydrogène à la surface. Sur la face (100) du fer, le tantale a l'effet le plus fort, tandis que sur la face (110), à forte couverture, c'est le chrome qui l'emporte. L'énergie de liaison de l'hydrogène avec le tantale atteint 1,2 eV, ce qui est comparable à l'énergie de liaison dans une molécule d'eau. La barrière de sortie de l'hydrogène peut augmenter de 0,3 eV, ce qui signifie qu'il faut une température environ 350 degrés plus élevée pour libérer un atome que pour le fer pur.

L'hélium agit à l'inverse : il comprime le réseau et affaiblit la rétention de l'hydrogène. Mais le chrome et le tantale ségrégués maintiennent leurs pièges même sous haute pression d'hélium. L'analyse électronique a révélé deux mécanismes : une forte hybridation des orbitales de l'hydrogène avec les états d du tantale et du tungstène, ainsi qu'un déplacement de la bande d de la surface qui, pour le chrome, la rapproche du niveau de Fermi et renforce l'adsorption.

Auparavant, on ne comprenait pas pourquoi, dans les aciers irradiés, l'hydrogène restait piégé à des températures supérieures à 300 °C, alors que les calculs pour le fer pur prévoyaient sa sortie dès 127 °C. Désormais, c'est clair : les gardiens sur les parois des bulles retiennent l'hydrogène plus fermement. Ces énergies de liaison peuvent être immédiatement intégrées aux modèles cinétiques d'accumulation du tritium afin d'évaluer plus précisément le cycle du combustible du réacteur.

Le verrou chimique sur la paroi de la bulle d'hélium s'est avéré plus complexe qu'on ne le pensait. Les éléments d'alliage ne sont pas simplement présents passivement dans l'acier ; ils travaillent activement aux limites des cavités. Cela ouvre la voie au contrôle de l'inventaire de tritium par la composition de l'alliage : si l'on choisit des éléments qui affaiblissent la liaison, on peut réduire l'accumulation de l'isotope radioactif dans les parois du réacteur.