L'ensemble conçu pour le troisième test de câble SULTAN comprend deux câbles VIPER HTS de 3 mètres en parallèle et reliés par un joint en cuivre en bas; de l'hélium cryogénique et du courant électrique sont injectés en haut.une fois installé dans le SULTAN. La superstructure extérieure fournit un support structurel pour réagir aux énormes charges de corps électromécaniques latérales générées dans les câbles pendant les tests. Un aspect unique de cette conception, fournis par les matériaux et l'extension trapézoïdale au plan médian, est la capacité de forcer axialement les câbles pendant les tests pour mieux reproduire les conditions qui seraient rencontrées par les câbles VIPER dans un aimant à champ élevé. Crédit :José Estrada/PSFC
Les scientifiques cherchent depuis longtemps à exploiter la fusion comme une source d'énergie inépuisable et sans carbone. Au cours des dernières années, La technologie révolutionnaire des supraconducteurs à haute température (HTS) a suscité une nouvelle vision pour obtenir une énergie de fusion pratique. Cette approche, connue sous le nom de voie à haut champ vers la fusion, vise à générer la fusion dans des dispositifs compacts sur une échelle de temps plus courte et à moindre coût que les approches alternatives.
Un défi technique clé pour réaliser cette vision, bien que, a fait fonctionner les supraconducteurs HTS de manière intégrée dans le développement de nouveaux, aimants supraconducteurs haute performance, qui permettra des champs magnétiques plus élevés que les générations précédentes d'aimants, et sont essentiels pour confiner et contrôler les réactions plasmatiques.
Désormais une équipe dirigée par le Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT et la société dérivée du MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), a développé et testé de manière approfondie une technologie de câble HTS qui peut être mise à l'échelle et intégrée aux aimants haute performance. La recherche de l'équipe a été publiée le 7 octobre dans Science et technologie des supraconducteurs . Les chercheurs comprenaient le professeur adjoint et chercheur principal du MIT Zachary Hartwig; Le chef adjoint de l'ingénierie du PSFC Rui F. Vieira et d'autres membres du personnel technique et d'ingénierie clés du PSFC ; Le directeur scientifique du SCF Brandon Sorbom Ph.D. '17 et d'autres ingénieurs du SCF ; et scientifiques du CERN à Genève, La Suisse, et au Robinson Research Institute de l'Université Victoria de Wellington, Nouvelle-Zélande.
Ce développement fait suite à une récente impulsion à la voie à haut champ, lorsque 47 chercheurs de 12 institutions ont publié sept articles dans le Journal of Plasma Physics, montrant qu'un dispositif de fusion à champ élevé, appelé SPARC, construit avec de tels aimants produirait de l'énergie nette - plus d'énergie qu'il n'en consomme - quelque chose qui n'a jamais été démontré auparavant.
"La technologie du câble pour SPARC est une pièce importante du puzzle alors que nous travaillons pour accélérer le calendrier de réalisation de l'énergie de fusion, " dit Hartwig, professeur adjoint de sciences et d'ingénierie nucléaires, et chef de l'équipe de recherche du PSFC. "Si nous réussissons dans ce que nous faisons et dans d'autres technologies, l'énergie de fusion commencera à faire une différence dans l'atténuation du changement climatique - pas dans 100 ans, mais dans 10 ans."
Un super câble
La technologie innovante décrite dans le document est un câble supraconducteur qui conduit l'électricité sans résistance ni génération de chaleur et qui ne se dégradera pas sous des conditions mécaniques extrêmes, électrique, et les conditions thermiques. VIPER de marque (un exploit acronyme qui signifie Vacuum Pressure Impregned, Isolé, Partiellement transposé, Extrudé, et laminé), il se compose de rubans d'acier minces produits dans le commerce et recouverts de composé HTS (oxyde d'yttrium-baryum-cuivre-oxyde) qui sont emballés dans un assemblage de composants en cuivre et en acier pour former le câble. Liquide de refroidissement cryogénique, comme l'hélium supercritique, peut circuler facilement à travers le câble pour évacuer la chaleur et garder le câble froid même dans des conditions difficiles.
"L'une de nos avancées a été de trouver un moyen de souder la bande HTS à l'intérieur du câble, ce qui en fait effectivement une structure monolithique où tout est thermiquement connecté, " dit Sorbom. Pourtant, VIPER peut aussi être façonné en rebondissements, en utilisant des joints pour créer "presque n'importe quel type de géométrie, " ajoute-t-il. Cela fait du câble un matériau de construction idéal pour l'enroulement en bobines capables de générer et de contenir des champs magnétiques d'une force énorme, tels que ceux requis pour fabriquer des dispositifs de fusion sensiblement plus petits que les dispositifs de fusion à énergie nette actuellement envisagés.
À gauche :les membres de l'équipe du câble (de gauche à droite) Zach Hartwig, Phil Michel, Vinny Fry, et Brandon Sorbom devant le banc d'essai SULTAN à Villagen, La Suisse. En haut au centre :une vue du puits d'essai lors de l'installation du câble dans le SULTAN. À droite :un ensemble de câbles contient deux câbles VIPER HTS de 3 mètres pour les tests SULTAN emballés dans une superstructure pour un support mécanique. Crédit :Zach Hartwig
Résilient et robuste
« La principale chose que nous pouvons faire avec le câble VIPER est de créer un champ magnétique deux à trois fois plus puissant à la taille requise que la génération actuelle de la technologie des aimants supraconducteurs, " dit Hartwig. L'amplitude du champ magnétique dans les tokamaks joue un rôle non linéaire important dans la détermination des performances du plasma. Par exemple, la densité de puissance de fusion s'échelonne sous forme de champ magnétique à la quatrième puissance :le fait de doubler le champ augmente la puissance de fusion de 16 fois ou, inversement, la même puissance de fusion peut être obtenue dans un appareil 16 fois plus petit en volume.
"Dans le développement d'aimants à haut champ pour la fusion, Les câbles HTS sont un ingrédient essentiel, et ils ont disparu, " dit Soren Prestemon, directeur du programme américain de développement d'aimants au Lawrence Berkeley National Laboratory, qui n'a pas participé à cette recherche. « VIPER est une percée dans le domaine de l'architecture des câbles - sans doute le premier candidat à s'être avéré viable pour la fusion - et permettra l'étape critique vers la démonstration dans un réacteur à fusion. »
La technologie VIPER présente également une approche puissante d'un problème particulier dans le domaine des aimants supraconducteurs, appelé une trempe, "cela terrifie les ingénieurs depuis qu'ils ont commencé à construire des aimants supraconducteurs, " dit Hartwig. Une trempe est une augmentation drastique de la température qui se produit lorsque les câbles froids ne peuvent plus conduire le courant électrique sans aucune résistance. Lorsque la trempe se produit, au lieu de générer une chaleur presque nulle à l'état supraconducteur, le courant électrique génère un échauffement résistif important dans le câble.
"L'élévation rapide de la température peut endommager ou détruire l'aimant si le courant électrique n'est pas coupé, " dit Hartwig. "Nous voulons éviter cette situation ou, si non, au moins le savoir aussi vite et certainement que possible."
L'équipe a incorporé deux types de technologie de fibre optique de détection de température développée par des collaborateurs du CERN et de l'Institut de recherche Robinson. Les fibres ont présenté, pour la première fois sur des câbles HTS à grande échelle et dans des conditions représentatives d'aimants de fusion à champ magnétique élevé, une détection sensible et à grande vitesse des changements de température le long du câble pour surveiller le début de l'extinction.
Un autre résultat clé a été l'incorporation réussie de matériaux faciles à fabriquer, faible résistance électrique, et des joints mécaniquement robustes entre les câbles VIPER. Les joints supraconducteurs sont souvent complexes, difficile à faire, et plus susceptible de tomber en panne que d'autres parties d'un aimant ; VIPER a été conçu pour éliminer ces problèmes. Les articulations VIPER ont l'avantage supplémentaire d'être démontables, ce qui signifie qu'ils peuvent être démontés et réutilisés sans impact sur les performances.
Prestemon note que l'architecture innovante du câble a un impact direct sur les défis du monde réel dans l'exploitation des réacteurs à fusion du futur. "Dans une véritable installation commerciale de production d'énergie de fusion, la chaleur intense et le rayonnement au fond du réacteur nécessiteront des remplacements de composants de routine, " dit-il. " Pouvoir démonter ces joints et les remettre ensemble est une étape importante vers la fusion d'une proposition rentable. "
Les 12 câbles VIPER que l'équipe de Hartwig a construits, d'une longueur comprise entre un et 12 mètres, ont été évalués avec des tests de flexion, des milliers de cycles mécaniques « on-off » soudains, plusieurs cycles thermiques cryogéniques, et des dizaines d'événements de type trempe pour simuler le type de conditions pénibles rencontrées dans les aimants d'un dispositif de fusion. Le groupe a réalisé avec succès quatre campagnes d'essais de plusieurs semaines en quatre mois sur le site de SULTAN, un centre leader pour l'évaluation des câbles supraconducteurs exploité par le Swiss Plasma Center, affilié à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse.
"Ce taux sans précédent de tests de câbles HTS chez SULTAN montre la vitesse à laquelle la technologie peut être avancée par une équipe exceptionnelle avec la mentalité d'aller vite, la volonté de prendre des risques, et les ressources à exécuter, " dit Hartwig. C'est un sentiment qui sert de fondement au projet SPARC.
L'équipe SPARC continue d'améliorer le câble VIPER et passe à la prochaine étape du projet à la mi-2021 :« Nous allons construire un modèle de bobine de plusieurs tonnes qui sera similaire à la taille d'un aimant à grande échelle pour SPARC, " dit Sorbom. Ces activités de recherche continueront à faire progresser les technologies magnétiques fondamentales pour SPARC et permettront la démonstration de l'énergie nette de la fusion, une réalisation clé qui signale que la fusion est une technologie énergétique viable. "Ce sera un tournant pour l'énergie de fusion, " dit Hartwig.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
