Can tokamak installations de fusion, les dispositifs les plus utilisés pour récolter sur Terre les réactions de fusion qui alimentent le soleil et les étoiles, être développé plus rapidement pour produire en toute sécurité, nettoyer, et une énergie pratiquement illimitée pour produire de l'électricité ? Le physicien Jon Menard du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) a examiné cette question dans un examen détaillé du concept d'un tokamak compact équipé d'aimants supraconducteurs à haute température (HTS). De tels aimants peuvent produire des champs magnétiques plus élevés, nécessaires pour produire et entretenir des réactions de fusion, que ce qui serait autrement possible dans une installation compacte.

Menard a d'abord présenté le document, maintenant publié dans Transactions philosophiques de la Royal Society A , à un atelier de la Royal Society à Londres qui a exploré l'accélération du développement de l'énergie de fusion produite par des tokamaks avec des tokamaks compacts. "C'est le premier article qui documente quantitativement comment les nouveaux supraconducteurs peuvent interagir avec la haute pression produite par les tokamaks compacts pour influencer la façon dont les tokamaks seront optimisés à l'avenir, " a déclaré Menard. " Ce que nous avons essayé de développer, ce sont des modèles simples qui capturent les aspects importants d'une conception intégrée. "

Des constats "très significatifs"

Les résultats sont "très significatifs, " a déclaré Steve Cowley, directeur de PPPL. Cowley a noté que « les arguments de Jon dans cet article et dans le précédent ont été très influents dans le récent rapport des National Academies of Sciences, " qui appelle à un programme américain pour développer une usine pilote de fusion compacte pour produire de l'électricité au coût le plus bas possible. " Jon a vraiment décrit les aspects techniques pour des tokamaks beaucoup plus petits utilisant des aimants à haute température, " a déclaré Cowley.

Tokamaks compacts, qui peut inclure des installations sphériques telles que le National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) qui est en cours de réparation à PPPL et le Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) en Grande-Bretagne, offrent des caractéristiques avantageuses. Les appareils, en forme de pommes évidées plutôt que de tokamaks classiques en forme de beignet, peut produire des plasmas à haute pression qui sont essentiels pour les réactions de fusion avec des champs magnétiques relativement faibles et rentables.

De telles réactions fusionnent des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques - pour libérer de l'énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire ce processus et essentiellement à créer une étoile sur Terre pour générer une électricité abondante pour les maisons, fermes, et les industries du monde entier. La fusion pourrait durer des millions d'années avec peu de risques et sans générer de gaz à effet de serre.

Prolonge l'examen précédent

L'étude de Menard prolonge son examen précédent d'une conception sphérique qui pourrait développer des matériaux et des composants pour un réacteur à fusion et servir d'usine pilote pour produire de l'énergie électrique. Le présent document fournit une analyse détaillée des compromis complexes que les futures expériences devront explorer lorsqu'il s'agira d'intégrer des tokamaks compacts avec des aimants HTS. "Nous réalisons qu'il n'y a pas une seule innovation sur laquelle on puisse compter pour conduire à une percée pour rendre les appareils plus compacts ou économiques, " a déclaré Menard. " Vous devez examiner l'ensemble d'un système intégré pour savoir si vous bénéficiez de champs magnétiques plus élevés. "

Le document met l'accent sur les questions clés sur la taille du trou, défini comme le "rapport d'aspect, " au centre du tokamak qui retient et façonne le plasma. Dans les tokamaks sphériques, ce trou peut être la moitié de la taille du trou des tokamaks classiques, correspondant à la forme en forme de pomme évidée du design compact. Alors que les physiciens pensent que des rapports d'aspect inférieurs peuvent améliorer la stabilité et le confinement du plasma, "nous ne saurons pas du côté du confinement tant que nous n'aurons pas mené d'expériences sur les mises à niveau NSXT-U et MAST, " dit Ménard.

Des rapports d'aspect inférieurs offrent un cadre attrayant pour les aimants HTS, dont la densité de courant élevée peut produire les forts champs magnétiques que la fusion nécessite à l'intérieur de l'espace relativement étroit d'un tokamak compact. Cependant, les aimants supraconducteurs ont besoin d'un blindage épais pour se protéger des dommages causés par le bombardement de neutrons et de l'échauffement, laissant peu de place à un transformateur pour induire du courant dans le plasma pour compléter le champ de torsion lorsque la taille de l'appareil est réduite. Pour les conceptions à rapport d'aspect inférieur, les scientifiques devraient ainsi développer de nouvelles techniques pour produire tout ou partie du courant plasma initial.

200 à 300 mégawatts d'énergie électrique

Maintenir le plasma pour générer les 200 à 300 mégawatts d'énergie électrique que l'article examine nécessiterait également un confinement plus élevé que les régimes de fonctionnement standard des tokamaks n'atteignent généralement. Une telle production d'électricité pourrait conduire à des flux de neutrons de fusion difficiles qui limiteraient la durée de vie estimée des aimants HTS à un ou deux ans de fonctionnement à pleine puissance. Un blindage plus épais pourrait augmenter considérablement cette durée de vie, mais réduirait également la fourniture d'énergie de fusion.

Des développements majeurs seront en effet nécessaires pour les aimants HTS, qui n'ont pas encore été construits à l'échelle. "Il faudra probablement des années pour élaborer un modèle des éléments essentiels des exigences de taille d'aimant et des facteurs connexes en fonction du rapport d'aspect, " dit Ménard.

La ligne de fond, il a dit, est que le rapport hauteur/largeur inférieur " vaut vraiment la peine d'être étudié sur la base de ces résultats ". Les avantages potentiels de ratios inférieurs, il a noté, inclure la production de densité de puissance de fusion - la production cruciale de puissance de fusion par volume de plasma - qui dépasse la production pour les rapports d'aspect conventionnels. "La fusion doit devenir plus attractive, " Ménard a dit, "Il est donc important d'évaluer les avantages de rapports d'aspect inférieurs et les compromis."