Crédit :Michael Drevlak
Des aimants permanents semblables à ceux utilisés sur les réfrigérateurs pourraient accélérer le développement de l'énergie de fusion, la même énergie produite par le soleil et les étoiles.
En principe, de tels aimants peuvent grandement simplifier la conception et la production d'installations de fusion sinueuses appelées stellarators, selon des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) et du Max Planck Institute for Plasma Physics à Greifswald, Allemagne. Le fondateur de PPPL Lyman Spitzer Jr. a inventé le stellarator au début des années 1950.
La plupart des stellarators utilisent un ensemble de bobines torsadées complexes qui s'enroulent comme des rayures sur une canne en bonbon pour produire des champs magnétiques qui façonnent et contrôlent le plasma qui alimente les réactions de fusion. Des aimants permanents de type réfrigérateur pourraient produire la partie dure de ces champs essentiels, disent les chercheurs, permettant simple, bobines non torsadées pour produire la partie restante à la place des bobines complexes.
Les bobines torsadées les plus chères
"Les bobines torsadées sont la partie la plus chère et la plus compliquée du stellarator et doivent être fabriquées avec une très grande précision sous une forme très compliquée, " a déclaré le physicien Per Helander, chef de la division Stellarator Theory chez Max Planck et auteur principal d'un article décrivant la recherche en Lettres d'examen physique ( PRL ). "Nous essayons d'alléger les exigences sur les bobines en utilisant des aimants permanents."
Simplifier les stellarateurs, qui fonctionnent sans risque de perturbations dommageables auxquelles sont confrontés les dispositifs de fusion tokamak plus largement utilisés, peut avoir un grand attrait. "Je suis extrêmement enthousiasmé par l'utilisation d'aimants permanents pour façonner le plasma dans les stellarators, " a déclaré Steve Cowley, directeur de PPPL et co-auteur de l'article. "Cela conduit à une conception technique beaucoup plus simple."
La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, qui génère des quantités massives d'énergie. Les scientifiques du monde entier utilisent des tokamaks, Stellarateurs, et d'autres installations dans le but de créer et de contrôler la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable d'énergie sûre et propre pour produire de l'électricité.
La nouvelle idée d'aimants permanents est une émanation d'un projet d'expo-sciences que Jonathan Zarnstorff, le fils du scientifique en chef du PPPL Michael Zarnstorff, un co-auteur de l'article, mis en place au collège. Jonathan voulait construire un rail gun, un appareil qui utilise généralement un courant à haute tension pour générer un champ magnétique pouvant tirer un projectile. Mais le courant haute tension serait dangereux à utiliser dans une salle de classe.
Image schématique du stellarator à aimant permanent avec plasma en jaune. Le rouge et le bleu indiquent des aimants permanents avec des bobines simplifiées entourant le navire. Crédit :Câline Zhu.
Solution père et fils
La solution à laquelle le père et le fils sont arrivés était d'utiliser du néodyme, ou terres rares, aimants permanents pour produire en toute sécurité le champ magnétique. Les aimants en terres rares ont des propriétés surprenantes et utiles. Ils génèrent des champs assez puissants pour la petite taille des aimants, et ce sont des champs « durs » qui ne sont presque pas affectés par les autres champs à proximité. Ces aimants pourraient ainsi fournir ce que les physiciens appellent la partie « poloïdale » d'un champ stellaire en spirale, tandis que de simples bobines rondes pourraient fournir la partie « toroïdale » qui constitue le reste du champ. "J'y avais pensé au fil des ans, mais je n'avais pas le temps de développer l'idée, ", a déclaré Zarnstorff. L'idée s'est finalement concrétisée lors de discussions avec Cowley et le physicien Cary Forest de l'Université du Wisconsin-Madison.
Les aimants permanents sont toujours " allumés ", ce qui contraste fortement avec les bobines électromagnétiques standard utilisées par les stellarators et les tokamaks. De telles bobines créent des champs magnétiques lorsqu'elles sont traversées par un courant électrique, courant qui nécessite des alimentations dont les aimants permanents n'ont pas besoin. D'autres avantages de l'utilisation d'aimants permanents pour simplifier les bobines de stellarator comprennent :
Les aimants permanents ont des inconvénients, trop. "Vous ne pouvez pas les éteindre, " Helander a dit, ce qui signifie qu'ils peuvent attirer tout ce qu'ils peuvent attirer à portée. Ils produisent également une intensité de champ maximale limitée, il a dit. Néanmoins, de tels aimants "peuvent être parfaits pour créer des expériences sur le chemin d'un réacteur, " il ajouta, "et des aimants permanents plus puissants pourraient devenir disponibles."
Nouvel ensemble d'outils
Pour Zarnstorff, les aimants permanents sont "une stratégie et un nouvel ensemble d'outils, et nous devons trouver comment les utiliser. » Il prévoit maintenant plusieurs utilisations. D'abord viendra la construction d'un stellarator de table avec des aimants permanents installés. Plus loin, il espère que PPPL pourra produire le premier stellarator optimisé simple au monde, un conçu pour atteindre des objectifs de performance spécifiques. Cette installation pourrait être modernisée pour augmenter son intensité de champ, en vue du développement continu de la machine simplifiée. Finalement, un stellarator comprenant des aimants permanents pourrait produire de l'énergie pour générer de l'électricité pour toute l'humanité.
