Il y a deux ans et demi, Le MIT a conclu un accord de recherche avec la start-up Commonwealth Fusion Systems pour développer une expérience de recherche sur la fusion de nouvelle génération, appelé SPARC, comme précurseur d'une pratique, centrale électrique sans émissions.

Maintenant, après de nombreux mois de recherche intensive et de travail d'ingénierie, les chercheurs chargés de définir et d'affiner la physique derrière la conception ambitieuse du réacteur ont publié une série d'articles résumant les progrès qu'ils ont réalisés et décrivant les questions de recherche clés que SPARC permettra.

Globalement, dit Martin Greenwald, directeur adjoint du Plasma Science and Fusion Center du MIT et l'un des principaux scientifiques du projet, les travaux avancent en douceur et sur la bonne voie. Cette série d'articles fournit un haut niveau de confiance dans la physique des plasmas et les prévisions de performance pour SPARC, il dit. Aucun obstacle ou surprise inattendu ne s'est présenté, et les défis restants semblent être gérables. Cela établit une base solide pour le fonctionnement de l'appareil une fois construit, selon Greenwald.

Greenwald a rédigé l'introduction d'un ensemble de sept articles de recherche rédigés par 47 chercheurs de 12 institutions et publiés aujourd'hui dans un numéro spécial de la Journal de physique des plasmas . Ensemble, les articles décrivent les bases physiques théoriques et empiriques du nouveau système de fusion, que le consortium espère commencer à construire l'année prochaine.

Il est prévu que SPARC soit le premier dispositif expérimental à réaliser un « plasma brûlant », c'est-à-dire une réaction de fusion auto-entretenue dans laquelle différents isotopes de l'élément hydrogène fusionnent pour former de l'hélium, sans avoir besoin d'un apport supplémentaire d'énergie. L'étude du comportement de ce plasma brûlant - quelque chose de jamais vu auparavant sur Terre de manière contrôlée - est considérée comme une information cruciale pour le développement de la prochaine étape, un prototype fonctionnel d'une pratique, centrale électrique de production d'électricité.

De telles centrales à fusion pourraient réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre du secteur de la production d'électricité, l'une des principales sources de ces émissions dans le monde. Le projet MIT et CFS est l'un des plus grands projets de recherche et développement à financement privé jamais entrepris dans le domaine de la fusion.

La conception SPARC, bien qu'environ le double de la taille de l'expérience Alcator C-Mod du MIT, aujourd'hui à la retraite, et similaire à plusieurs autres réacteurs de recherche à fusion actuellement en fonctionnement, serait bien plus puissant, atteindre des performances de fusion comparables à celles attendues dans le réacteur ITER, beaucoup plus gros, en cours de construction en France par un consortium international. La puissance élevée dans une petite taille est rendue possible par les progrès des aimants supraconducteurs qui permettent à un champ magnétique beaucoup plus fort de confiner le plasma chaud.

Le projet SPARC a été lancé début 2018, et travailler sur sa première étape, le développement des aimants supraconducteurs qui permettraient de construire des systèmes de fusion plus petits, a avancé à un rythme soutenu. La nouvelle série d'articles représente la première fois que la base physique sous-jacente de la machine SPARC est décrite en détail dans des publications évaluées par des pairs. Les sept articles explorent les domaines spécifiques de la physique qui ont dû être affinés davantage, et qui nécessitent encore des recherches en cours pour cerner les éléments finaux de la conception de la machine et les procédures d'exploitation et les tests qui seront impliqués à mesure que les travaux progressent vers la centrale électrique.

Les articles décrivent également l'utilisation d'outils de calcul et de simulation pour la conception de SPARC, qui ont été testés contre de nombreuses expériences à travers le monde. Les auteurs ont utilisé des simulations de pointe, fonctionner sur des supercalculateurs puissants, qui ont été développés pour aider à la conception d'ITER. La grande équipe multi-institutionnelle de chercheurs représentée dans la nouvelle série d'articles visait à apporter les meilleurs outils de consensus à la conception de la machine SPARC pour augmenter la confiance qu'elle accomplira sa mission.

L'analyse effectuée jusqu'à présent montre que la production d'énergie de fusion prévue du réacteur SPARC devrait être en mesure de répondre aux spécifications de conception avec une marge confortable à revendre. Il est conçu pour atteindre un facteur Q - un paramètre clé indiquant l'efficacité d'un plasma de fusion - d'au moins 2, ce qui signifie essentiellement que deux fois plus d'énergie de fusion est produite que la quantité d'énergie pompée pour générer la réaction. Ce serait la première fois qu'un plasma de fusion, quel qu'il soit, produirait plus d'énergie qu'il n'en consommait.

Les calculs à ce stade montrent que SPARC pourrait en fait atteindre un rapport Q de 10 ou plus, selon les nouveaux journaux. Alors que Greenwald prévient que l'équipe veut faire attention à ne pas trop promettre, et beaucoup de travail reste, les résultats jusqu'à présent indiquent que le projet atteindra au moins ses objectifs, et notamment répondra à son objectif clé de produire un plasma brûlant, dans lequel l'auto-échauffement domine le bilan énergétique.

Les limitations imposées par la pandémie de COVID-19 ont un peu ralenti les progrès, mais pas beaucoup, il dit, et les chercheurs sont de retour dans les laboratoires sous de nouvelles directives opérationnelles.

Globalement, "nous visons toujours un début de construction vers juin 21, " dit Greenwald. " L'effort de physique est bien intégré à la conception technique. Ce que nous essayons de faire, c'est de placer le projet sur la base physique la plus solide possible, afin que nous soyons confiants quant à la façon dont il va fonctionner, et ensuite de fournir des conseils et de répondre aux questions pour la conception technique au fur et à mesure de son déroulement."

De nombreux détails sont encore en cours d'élaboration sur la conception de la machine, couvrant les meilleures façons d'obtenir de l'énergie et du carburant dans l'appareil, couper le courant, faire face à des transitoires thermiques ou de puissance soudains, et comment et où mesurer les paramètres clés afin de surveiller le fonctionnement de la machine.

Jusque là, il n'y a eu que des changements mineurs à la conception globale. Le diamètre du réacteur a été augmenté d'environ 12 pour cent, mais peu d'autre a changé, dit Greenwald. "Il y a toujours la question d'un peu plus de ça, un peu moins de ça, et il y a beaucoup de choses qui pèsent là-dedans, problèmes d'ingénierie, contraintes mécaniques, contraintes thermiques, et il y a aussi la physique :comment influencez-vous les performances de la machine ?"

La publication de ce numéro spécial de la revue, il dit, "représente un résumé, un instantané de la base de la physique telle qu'elle se présente aujourd'hui. "c'est notre première occasion de raconter notre histoire, le faire réviser, obtenir le cachet d'approbation, et le diffuser dans la communauté."

Greenwald dit qu'il y a encore beaucoup à apprendre sur la physique des plasmas brûlants, et une fois que cette machine est en marche, des informations clés peuvent être obtenues qui aideront à ouvrir la voie à des activités commerciales, dispositifs de fusion producteurs d'électricité, dont le combustible, les isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, peut être mis à disposition en quantités pratiquement illimitées.

Les détails du plasma brûlant "sont vraiment nouveaux et importants, " dit-il. " La grande montagne que nous devons surmonter est de comprendre cet état d'auto-échauffement d'un plasma. "

Globalement, Greenwald dit, le travail qui a été consacré à l'analyse présentée dans cet ensemble d'articles « contribue à valider notre confiance dans la réalisation de la mission. Nous n'avons rien rencontré où nous disons :'Oh, c'est prédire que nous n'arriverons pas là où nous voulons. il dit, "L'une des conclusions est que les choses semblent toujours sur la bonne voie. Nous pensons que cela va fonctionner."