Un exercice en classe au MIT, aidés par des chercheurs de l'industrie, a conduit à une solution innovante à l'un des défis de longue date auxquels est confronté le développement de centrales électriques à fusion pratiques :comment se débarrasser de l'excès de chaleur qui causerait des dommages structurels à la centrale.

La nouvelle solution a été rendue possible par une approche innovante des réacteurs de fusion compacts, utilisant des aimants supraconducteurs à haute température. Cette méthode a constitué la base d'un nouveau programme de recherche massif lancé cette année au MIT et de la création d'une startup indépendante pour développer le concept. La nouvelle conception, contrairement à celui des usines de fusion typiques, permettrait d'ouvrir la chambre interne de l'appareil et de remplacer les composants critiques; cette capacité est essentielle pour le mécanisme de drainage thermique nouvellement proposé.

La nouvelle approche est détaillée dans un article de la revue Ingénierie et conception de fusion , écrit par Adam Kuang, un étudiant diplômé de cette classe, avec 14 autres étudiants du MIT, ingénieurs de Mitsubishi Electric Research Laboratories et Commonwealth Fusion Systems, et le professeur Dennis Whyte, directeur du Plasma Science and Fusion Center du MIT, qui a enseigné la classe.

En substance, Whyte explique, l'évacuation de la chaleur de l'intérieur d'une usine de fusion peut être comparée au système d'échappement d'une voiture. Dans le nouveau design, le "tuyau d'échappement" est beaucoup plus long et plus large que ce qui est possible dans n'importe lequel des modèles de fusion d'aujourd'hui, ce qui le rend beaucoup plus efficace pour évacuer la chaleur indésirable. Mais l'ingénierie nécessaire pour rendre cela possible a nécessité de nombreuses analyses complexes et l'évaluation de plusieurs dizaines d'alternatives de conception possibles.

Apprivoiser le plasma de fusion

Fusion exploite la réaction qui alimente le soleil lui-même, tenant la promesse de produire à terme propre, électricité abondante grâce à un combustible dérivé de l'eau de mer :le deutérium, une forme lourde d'hydrogène, et le lithium, de sorte que l'approvisionnement en carburant est essentiellement illimité. Mais des décennies de recherche sur de telles centrales électriques n'ont toujours pas abouti à un appareil qui produit autant d'énergie qu'il en consomme, beaucoup moins celui qui produit réellement une production nette d'énergie.

Plus tôt cette année, cependant, La proposition du MIT pour un nouveau type d'usine de fusion, ainsi que plusieurs autres conceptions innovantes explorées par d'autres, ont finalement fait que l'objectif d'une puissance de fusion pratique semblait à portée de main. Mais plusieurs défis de conception restent à résoudre, y compris un moyen efficace d'évacuer la chaleur interne du super-chaud, matériau chargé électriquement, appelé plasma, confiné à l'intérieur de l'appareil.

La majeure partie de l'énergie produite à l'intérieur d'un réacteur à fusion est émise sous forme de neutrons, qui chauffent un matériau entourant le plasma de fusion, appelé une couverture. Dans une centrale électrique, cette couverture chauffante serait à son tour utilisée pour entraîner une turbine génératrice. Mais environ 20 % de l'énergie est produite sous forme de chaleur dans le plasma lui-même, qui en quelque sorte doit être dissipé pour l'empêcher de faire fondre les matériaux qui forment la chambre.

Aucun matériau n'est assez solide pour résister à la chaleur du plasma à l'intérieur d'un appareil de fusion, qui atteint des températures de millions de degrés, le plasma est donc maintenu en place par de puissants aimants qui l'empêchent d'entrer en contact direct avec les parois intérieures de la chambre de fusion en forme de beignet. Dans les conceptions de fusion typiques, un ensemble séparé d'aimants est utilisé pour créer une sorte de chambre latérale pour évacuer l'excès de chaleur, mais ces soi-disant diverteurs sont insuffisants pour la chaleur élevée dans le neuf, plante compacte.

L'une des caractéristiques souhaitables de la conception de l'ARC est qu'elle produirait de l'énergie dans un dispositif beaucoup plus petit que ce qui serait nécessaire à partir d'un réacteur conventionnel de même puissance. Mais cela signifie plus de puissance confinée dans un espace plus petit, et donc plus de chaleur à éliminer.

"Si nous ne faisions rien pour l'évacuation de la chaleur, le mécanisme se déchirerait, " dit Kuang, qui est l'auteur principal de l'article, décrivant le défi que l'équipe a relevé et finalement résolu.

Travail intérieur

Dans les conceptions de réacteurs à fusion classiques, les bobines magnétiques secondaires qui créent le divertor se trouvent à l'extérieur des bobines primaires, car il n'y a tout simplement aucun moyen de mettre ces bobines à l'intérieur des bobines primaires solides. Cela signifie que les bobines secondaires doivent être grandes et puissantes, faire pénétrer leurs champs dans la chambre, et par conséquent, ils ne sont pas très précis dans la façon dont ils contrôlent la forme du plasma.

Mais le nouveau design originaire du MIT, connu sous le nom d'ARC (pour avancé, robuste, et compact) comporte des aimants intégrés dans les sections afin qu'ils puissent être retirés pour l'entretien. Cela permet d'accéder à tout l'intérieur et de placer les aimants secondaires à l'intérieur des bobines principales plutôt qu'à l'extérieur. Avec cette nouvelle disposition, « juste en les rapprochant [du plasma], leur taille peut être considérablement réduite, " dit Kuang.

Dans la classe d'études supérieures d'un semestre 22.63 (Principes de l'ingénierie de fusion), les étudiants ont été divisés en équipes pour aborder différents aspects du défi du rejet de la chaleur. Chaque équipe a commencé par faire une recherche documentaire approfondie pour voir quels concepts avaient déjà été essayés, puis ils ont réfléchi à plusieurs concepts et ont progressivement éliminé ceux qui ne fonctionnaient pas. Ceux qui étaient prometteurs ont été soumis à des calculs et simulations détaillés, basé, en partie, sur les données de décennies de recherche sur les dispositifs de fusion de recherche tels que l'Alcator C-Mod du MIT, qui a pris sa retraite il y a deux ans. Le scientifique de C-Mod, Brian LaBombard, a également partagé ses idées sur de nouveaux types de divertisseurs, et deux ingénieurs de Mitsubishi ont également travaillé avec l'équipe. Plusieurs étudiants ont continué à travailler sur le projet après la fin du cours, conduisant finalement à la solution décrite dans ce nouveau document. Les simulations ont démontré l'efficacité de la nouvelle conception sur laquelle ils se sont installés.

"C'était vraiment excitant, ce que nous avons découvert, " dit Whyte. Le résultat est des divertisseurs plus longs et plus gros, et qui gardent le plasma plus précisément contrôlé. Par conséquent, ils peuvent supporter les charges thermiques intenses attendues.

« Vous voulez rendre le « tuyau d'échappement » aussi grand que possible, " Whyte dit, expliquant que le placement des aimants secondaires à l'intérieur des aimants primaires rend cela possible. "C'est vraiment une révolution pour la conception d'une centrale électrique, " dit-il. Non seulement les supraconducteurs à haute température utilisés dans les aimants de la conception ARC permettent un compact, centrale électrique de grande puissance, il dit, « mais ils offrent également de nombreuses options » pour optimiser la conception de différentes manières, notamment :il s'avère, cette nouvelle conception de divertor.

Aller de l'avant, maintenant que le concept de base a été développé, il y a beaucoup de place pour d'autres développements et optimisations, y compris la forme exacte et le placement de ces aimants secondaires, dit l'équipe. Les chercheurs travaillent à développer davantage les détails de la conception.

"Cela ouvre de nouvelles pistes de réflexion sur les divertisseurs et la gestion de la chaleur dans un dispositif de fusion, " dit Whyte.