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Un projet conçu par le MIT réalise une avancée majeure vers l'énergie de fusion
Un nouvel aimant supraconducteur bat des records de force de champ magnétique, ouvrant la voie à une énergie pratique, commerciale et sans carbone.
Il s'agissait d'un moment que l'on attendait depuis trois ans, après un travail intensif de recherche et de conception : Le 5 septembre, pour la première fois, un grand électroaimant supraconducteur à haute température a été porté à une intensité de champ de 20 teslas, le champ magnétique le plus puissant de ce type jamais créé sur Terre. Cette démonstration réussie permet de lever la plus grande incertitude dans la quête de la première centrale à fusion au monde capable de produire plus d'énergie qu'elle n'en consomme, selon les responsables du projet au MIT et la jeune entreprise Commonwealth Fusion Systems (CFS).
Selon eux, cette avancée ouvre la voie à la création, recherchée depuis longtemps, de centrales électriques pratiques, peu coûteuses et sans carbone, qui pourraient apporter une contribution majeure à la limitation des effets du changement climatique mondial.
"À bien des égards, la fusion est la source d'énergie propre par excellence", déclare Maria Zuber, vice-présidente du MIT chargée de la recherche et titulaire de la chaire E. A. Griswold de géophysique. "La quantité d'énergie disponible change vraiment la donne". Le combustible utilisé pour créer l'énergie de fusion provient de l'eau, et "la Terre est pleine d'eau - c'est une ressource presque illimitée. Nous devons juste trouver comment l'utiliser".
La mise au point du nouvel aimant est considérée comme le plus grand obstacle technologique à la réalisation de cet objectif ; son fonctionnement réussi ouvre désormais la voie à la démonstration de la fusion dans un laboratoire sur Terre, ce qui a été recherché pendant des décennies avec des progrès limités. La technologie de l'aimant ayant été démontrée avec succès, la collaboration MIT-CFS est en passe de construire le premier dispositif de fusion au monde capable de créer et de confiner un plasma produisant plus d'énergie qu'il n'en consomme. Ce dispositif de démonstration, appelé SPARC, devrait être achevé en 2025.
"Les défis à relever pour réaliser la fusion sont à la fois techniques et scientifiques", déclare Dennis Whyte, directeur du Plasma Science and Fusion Center du MIT, qui collabore avec le CFS pour développer SPARC. Mais une fois que la technologie aura fait ses preuves, dit-il, "il s'agit d'une source d'énergie inépuisable, sans carbone, que l'on peut déployer partout et à tout moment. Il s'agit vraiment d'une source d'énergie fondamentalement nouvelle".
M. Whyte, qui est professeur d'ingénierie à Hitachi America, estime que la démonstration de cette semaine représente une étape majeure, car elle répond aux plus grandes questions qui subsistent quant à la faisabilité de la conception du SPARC. "C'est vraiment un moment décisif, je crois, dans la science et la technologie de la fusion", dit-il.
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Le soleil dans une bouteille
La fusion est le processus qui alimente le soleil : la fusion de deux petits atomes pour en faire un plus grand, libérant ainsi de prodigieuses quantités d'énergie. Mais ce processus nécessite des températures bien supérieures à ce qu'un matériau solide peut supporter. Pour capturer la source d'énergie du soleil ici sur Terre, il faut trouver un moyen de capturer et de contenir un élément aussi chaud - 100 millions de degrés ou plus - en le suspendant de manière à l'empêcher d'entrer en contact avec un matériau solide.
Cela se fait grâce à des champs magnétiques intenses, qui forment une sorte de bouteille invisible pour contenir la soupe chaude tourbillonnante de protons et d'électrons, appelée plasma. Comme les particules ont une charge électrique, elles sont fortement contrôlées par les champs magnétiques. La configuration la plus utilisée pour les contenir est un dispositif en forme de beignet appelé tokamak. La plupart de ces dispositifs ont produit leurs champs magnétiques à l'aide d'électro-aimants classiques en cuivre, mais la dernière version, la plus grande, en cours de construction en France, appelée ITER, utilise ce que l'on appelle des supraconducteurs à basse température.
L'innovation majeure dans le concept de fusion du MIT-CFS est l'utilisation de supraconducteurs à haute température, qui permettent d'obtenir un champ magnétique beaucoup plus puissant dans un espace plus réduit. Cette conception a été rendue possible par un nouveau type de matériau supraconducteur qui est devenu disponible dans le commerce il y a quelques années. L'idée est née sous la forme d'un projet de classe dans le cadre d'un cours d'ingénierie nucléaire enseigné par M. Whyte. L'idée semblait si prometteuse qu'elle a continué à être développée au cours des quelques itérations suivantes de ce cours, pour aboutir au concept de la centrale ARC au début de 2015. SPARC, conçu pour être environ deux fois plus petit que l'ARC, est un banc d'essai pour prouver le concept avant la construction de la centrale de taille réelle, qui produira de l'énergie.
Jusqu'à présent, la seule façon d'obtenir les champs magnétiques colossalement puissants nécessaires pour créer une "bouteille" magnétique capable de contenir du plasma chauffé à des centaines de millions de degrés était de les rendre de plus en plus grands. Mais le nouveau matériau supraconducteur à haute température, fabriqué sous la forme d'un ruban plat, permet d'obtenir un champ magnétique plus élevé dans un dispositif plus petit, égalant les performances qui seraient obtenues dans un appareil 40 fois plus grand en volume en utilisant des aimants supraconducteurs à basse température classiques. Ce bond en avant dans la puissance par rapport à la taille est l'élément clé de la conception révolutionnaire de l'ARC.
L'utilisation des nouveaux aimants supraconducteurs à haute température permet d'appliquer des décennies de connaissances expérimentales acquises lors de l'exploitation de tokamaks, dont la série Alcator du MIT. La nouvelle approche, dirigée par Zach Hartwig, chercheur principal du MIT et professeur adjoint de développement de carrière Robert N. Noyce en sciences et ingénierie nucléaires, utilise une conception bien connue, mais réduit tout à environ la moitié de la taille linéaire et permet d'obtenir les mêmes conditions opérationnelles grâce à un champ magnétique plus élevé.
Une série d'articles scientifiques publiés l'année dernière ont décrit la base physique et, par simulation, ont confirmé la viabilité du nouveau dispositif de fusion. Ces articles ont montré que, si les aimants fonctionnent comme prévu, l'ensemble du système de fusion devrait effectivement produire une puissance nette, pour la première fois depuis des décennies de recherche sur la fusion.
Martin Greenwald, directeur adjoint et chercheur principal au PSFC, explique que, contrairement à d'autres conceptions d'expériences de fusion, "le créneau que nous occupions consistait à utiliser la physique des plasmas conventionnelle, ainsi que la conception et l'ingénierie conventionnelles des tokamaks, mais en y apportant cette nouvelle technologie des aimants. Nous n'avions donc pas besoin d'innover dans une demi-douzaine de domaines différents. Nous devions simplement innover sur l'aimant, puis appliquer la base de connaissances de ce qui a été appris au cours des dernières décennies."
Cette combinaison de principes de conception scientifiquement établis et d'une intensité de champ magnétique qui change la donne est ce qui permet de réaliser une installation qui pourrait être économiquement viable et développée rapidement. "C'est un grand moment", déclare Bob Mumgaard, PDG de CFS. "Nous disposons maintenant d'une plateforme qui est à la fois très avancée sur le plan scientifique, en raison des décennies de recherche sur ces machines, mais aussi très intéressante sur le plan commercial. Elle nous permet de construire des appareils plus rapides, plus petits et moins coûteux", explique-t-il à propos de la démonstration réussie de l'aimant.
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Preuve du concept
La concrétisation de ce nouveau concept d'aimant a nécessité trois années de travail intensif sur la conception, la mise en place de chaînes d'approvisionnement et l'élaboration de méthodes de fabrication pour des aimants qui pourraient un jour devoir être produits par milliers.
"Nous avons construit un aimant supraconducteur unique en son genre. Il a fallu beaucoup de travail pour créer des processus et des équipements de fabrication uniques. En conséquence, nous sommes maintenant bien préparés à monter en puissance pour la production de SPARC", explique Joy Dunn, responsable des opérations au CFS. "Nous avons commencé par un modèle physique et une conception CAO, puis nous avons procédé à de nombreux développements et prototypes pour transformer une conception sur papier en cet aimant physique réel." Cela a nécessité la mise en place de capacités de fabrication et d'installations d'essai, y compris un processus itératif avec de multiples fournisseurs de ruban supraconducteur, pour les aider à atteindre la capacité de produire un matériau répondant aux spécifications requises - et pour lequel CFS est aujourd'hui, de manière écrasante, le plus grand utilisateur au monde.
Ils ont travaillé en parallèle avec deux conceptions d'aimants possibles, qui ont toutes deux fini par répondre aux exigences de conception, dit-elle. "Il s'agissait vraiment de savoir lequel révolutionnerait la façon dont nous fabriquons les aimants supraconducteurs, et lequel était le plus facile à construire." La conception qu'ils ont adoptée s'est clairement distinguée à cet égard, dit-elle.
Lors de ce test, le nouvel aimant a été mis sous tension progressivement, en plusieurs étapes, jusqu'à atteindre l'objectif d'un champ magnétique de 20 teslas, soit l'intensité de champ la plus élevée jamais obtenue pour un aimant de fusion supraconducteur à haute température. L'aimant est composé de 16 plaques empilées les unes sur les autres, chacune d'entre elles constituant à elle seule l'aimant supraconducteur à haute température le plus puissant au monde.
"Il y a trois ans, nous avons annoncé un plan", explique Mumgaard, "pour construire un aimant de 20 teslas, ce dont nous aurons besoin pour les futures machines de fusion." Cet objectif a maintenant été atteint, dans les délais prévus, même avec la pandémie, dit-il.
Citant la série d'articles de physique publiés l'année dernière, Brandon Sorbom, directeur scientifique du CFS, déclare que "les articles concluent essentiellement que si nous construisons l'aimant, toute la physique fonctionnera dans SPARC. Cette démonstration répond donc à la question : Peut-on construire l'aimant ? C'est un moment très excitant ! C'est une étape importante."
L'étape suivante consistera à construire SPARC, une version à plus petite échelle de la centrale ARC prévue. Le fonctionnement réussi de SPARC démontrera qu'une centrale de fusion commerciale à grande échelle est réalisable, ouvrant ainsi la voie à une conception et une construction rapides de ce dispositif pionnier.
M. Zuber déclare : "Je suis maintenant réellement optimiste quant à la capacité de SPARC à produire une énergie positive nette, sur la base des performances démontrées des aimants. La prochaine étape consiste à passer à l'échelle supérieure et à construire une véritable centrale électrique. Il reste encore de nombreux défis à relever, dont le moindre n'est pas le développement d'une conception permettant un fonctionnement fiable et durable. Et comme l'objectif est la commercialisation, un autre défi majeur sera d'ordre économique. Comment concevoir ces centrales pour qu'il soit rentable de les construire et de les déployer ?"
Un jour, dans un futur espéré, lorsque des milliers de centrales à fusion alimenteront des réseaux électriques propres dans le monde entier, Zuber déclare : "Je pense que nous regarderons en arrière et que nous nous demanderons comment nous en sommes arrivés là, et je pense que la démonstration de la technologie de l'aimant, pour moi, est le moment où j'ai cru que, wow, nous pouvons vraiment le faire".
La création réussie d'un dispositif de fusion produisant de l'énergie serait une formidable réussite scientifique, note Zuber. Mais ce n'est pas l'essentiel. "Aucun d'entre nous n'essaie de gagner des trophées à ce stade. Nous essayons de faire en sorte que la planète reste vivable."
https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
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