Tirer parti des ressources mondiales pour la recherche sur la fusion

ITER ("The Way" en latin) est l'un des projets énergétiques les plus ambitieux jamais tentés. Dans le sud de la France, une coalition de 35 nations collabore pour construire le dispositif de fusion tokamak le plus grand et le plus puissant. La campagne expérimentale qui sera menée à ITER est cruciale pour préparer les centrales à fusion de demain.

Dans le cadre de l'accord ITER de 2006, tous les membres partageront également la technologie développée tout en ne finançant qu'une partie du coût total. Les États-Unis contribuent à environ neuf pour cent des coûts de construction d'ITER.

"Le projet ITER est la collaboration scientifique la plus complexe de l'histoire, " dit le Dr Bernard Bigot, Directeur général de l'organisation ITER. « Des composants de premier ordre très exigeants sont fabriqués sur trois continents sur une période de près de 10 ans par des sociétés de premier plan telles que General Atomics. Chaque composant représente une équipe d'ingénierie de premier ordre. Sans cette participation mondiale, ITER n'aurait pas été possible; mais comme un effort combiné, chaque équipe valorise son investissement par ce qu'elle apprend des autres."

Les connaissances techniques et les données scientifiques générées par ITER seront essentielles pour le programme de fusion américain. Comme pour les autres membres, la majorité des contributions américaines sont sous forme de fabrication en nature. Cette approche permet aux pays membres de soutenir la fabrication nationale, créer des emplois de haute technologie, et développer de nouvelles capacités dans l'industrie privée.

"La livraison du premier module ITER Central Solenoid est une étape passionnante pour la démonstration de l'énergie de fusion et également une réalisation formidable de la capacité des États-Unis à construire de très grands, haut-champ, aimants supraconducteurs à haute énergie, " déclare le Dr Michael Mauel de l'Université Columbia. " Le succès de GA dans la construction, essai, et la fourniture d'aimants supraconducteurs à champ élevé pour l'énergie de fusion est une percée de haute technologie pour les États-Unis et donne confiance dans la réalisation de la puissance de fusion à l'avenir. »

« Les États-Unis sont un membre essentiel du projet ITER, qu'ils ont initié il y a des décennies, " Bigot explique, "Atomique Générale, avec son expertise de classe mondiale à la fois dans la fabrication complexe et le contrôle précis des champs magnétiques, est un excellent exemple de l'expertise remarquable apportée par les scientifiques et les ingénieurs américains."

ITER sera le premier appareil de fusion à produire de l'énergie nette à travers le plasma, ce qui signifie que la réaction de fusion générera plus d'énergie thermique que l'énergie nécessaire pour chauffer le plasma. ITER sera également le premier dispositif de fusion à maintenir la fusion pendant de longues périodes. ITER générera 500 mégawatts d'énergie de fusion thermique, plus de trente fois le record actuel atteint sur le tokamak JET au Royaume-Uni.

ITER aura de nombreuses capacités qui vont bien au-delà des tokamaks actuels. Bien qu'ITER ne produise pas d'électricité, ce sera un banc d'essai critique pour les technologies intégrées, matériaux, et les régimes physiques nécessaires à la production commerciale d'électricité à base de fusion. Les enseignements tirés d'ITER seront utilisés pour concevoir la première génération de centrales à fusion commerciales.

"ITER joue un rôle central dans les activités de recherche sur le plasma brûlant aux États-Unis et constitue la prochaine étape critique dans le développement de l'énergie de fusion, " dit le Dr Mauel.

Le solénoïde central en contexte

Le Magnet Technologies Center de General Atomics a été développé spécifiquement pour la fabrication du solénoïde central, l'électroaimant supraconducteur pulsé le plus grand et le plus puissant jamais construit, en partenariat avec l'US ITER.

La création des champs magnétiques dans un tokamak nécessite trois réseaux d'aimants différents. Des bobines externes autour de l'anneau du tokamak produisent le champ magnétique toroïdal, confiner le plasma à l'intérieur du vaisseau. Les bobines poloïdales, un ensemble d'anneaux empilés qui orbitent autour du tokamak parallèlement à sa circonférence, contrôler la position et la forme du plasma.

Au centre du tokamak, le solénoïde central utilise une impulsion d'énergie pour générer un puissant courant toroïdal dans le plasma qui circule autour du tore. Le mouvement des ions avec ce courant crée à son tour un second champ magnétique poloïdal qui améliore le confinement du plasma, ainsi que de générer de la chaleur pour la fusion. A 15 millions d'ampères, Le courant plasma d'ITER sera bien plus puissant que tout ce qui est possible dans les tokamaks actuels.

Le matériau supraconducteur utilisé dans les aimants d'ITER a été produit dans neuf usines dans six pays. Les 43 kilomètres (26,7 miles) de supraconducteur niobium-étain pour le solénoïde central ont été fabriqués au Japon.

Ensemble, Les aimants d'ITER créent une cage invisible pour le plasma qui épouse précisément les parois métalliques du tokamak.

Faire le solénoïde central

La fabrication du premier module a débuté en 2015. Elle a été précédée de près de quatre ans de collaboration avec des experts de l'US ITER pour concevoir le procédé et les outils de fabrication des modules.

Chaque diamètre de 4,25 mètres (14 pieds), 110 tonnes (250, 000 livres) nécessite plus de deux ans de fabrication de précision à partir de plus de 5 kilomètres (3 miles) de câble supraconducteur niobium-étain gainé d'acier. Le câble est précisément enroulé en plat, "crêpes" en couches qui doivent être soigneusement épissés ensemble.

Pour créer le matériau supraconducteur à l'intérieur de l'enroulement du module, le module doit être soigneusement traité thermiquement dans un grand four, qui fonctionne de manière similaire à celle d'un four à convection que l'on trouve dans de nombreuses cuisines. L'avantage du four à convection est la possibilité de raccourcir le processus global tout en maintenant une "cuisson" uniforme du module. A l'intérieur du four, le module passe environ dix jours et demi à 570°C (1, 060°F) et quatre jours supplémentaires à 650°C (1200°F). L'ensemble du processus prend environ cinq semaines.

Après traitement thermique, le câble est isolé pour s'assurer que les courts-circuits électriques ne se produisent pas entre les spires et les couches. Pendant l'isolation des virages, le module doit être non suspendu sans surcharger le conducteur, qui est maintenant sensible à la déformation en raison du traitement thermique.

Pour effectuer l'emballage, les spires du module sont étirées comme un slinky, permettant aux têtes de ruban d'envelopper l'isolant en fibre de verre/Kapton autour du conducteur. Une fois les tours individuels emballés, les surfaces externes du module sont ensuite enveloppées d'une isolation de terre. L'isolation du sol est constituée de 25 couches de fibre de verre et de feuilles de Kapton. L'isolation de la terre doit également s'adapter étroitement autour des caractéristiques complexes de la bobine, comme les entrées d'hélium.

Après isolation, le module est enfermé dans un moule, et 3, 800 litres (1, 000 gallons) de résine époxy sont injectés sous vide, pour saturer les matériaux d'isolation et éviter les bulles ou les vides. Une fois durci à 650°C (260°F), l'époxy fusionne l'ensemble du module en une seule unité structurelle.

Le module fini est soumis à une série de tests exigeants, le placer dans les conditions extrêmes qu'il connaîtra lors de l'exploitation d'ITER, y compris le vide quasi-complet et les températures cryogéniques nécessaires pour que l'aimant devienne supraconducteur (4,5 Kelvin, ce qui équivaut à environ -450°F ou -270°C).

Les leçons apprises sur le premier module de solénoïde central ont été appliquées à la fabrication des six bobines suivantes.

"Pour ceux d'entre nous qui ont consacré leur carrière à la recherche sur la fusion, c'est indéniablement un moment passionnant, " a déclaré le Dr Tony Taylor, Vice-président de GA pour l'énergie de fusion magnétique. « Quand le module part pour son voyage en France, nous pourrons tous être fiers d'une contribution très significative sur la voie de l'énergie de fusion."

Expédition en France

La construction d'ITER comprend plus d'un million de composants, fabriqués dans le monde entier. Beaucoup de ces composants sont très volumineux, et les modules Central Solenoid sont parmi les plus lourds. Le processus d'expédition des aimants massifs nécessite des véhicules de transport lourds spécialisés. L'ensemble du processus de chargement et de sécurisation du module sur le camion en toute sécurité, y compris les préparations pour le levage, prendra environ une semaine.

Après le chargement, le module sera expédié à Houston, Texas, où il sera placé sur un navire pour le transport vers le site d'ITER. Le premier module prendra la mer fin juillet et arrivera en France fin août. Le transit terrestre vers le site d'ITER aura lieu début septembre.

« Fusion a le potentiel de fournir des une énergie respectueuse de l'environnement comme substitut réaliste aux combustibles fossiles au cours de ce siècle, " dit Bigot. " Avec un approvisionnement mondial presque illimité en carburant, elle a aussi le potentiel, en complément des énergies renouvelables, de transformer la géopolitique de l'approvisionnement énergétique. Je ne vois pas de meilleure illustration de cette action transformatrice que le projet ITER, où nos partenaires américains travaillent en étroite collaboration avec des contributeurs chinois, L'Europe , Inde, Japon, Corée du Sud, et la Russie, comme une seule équipe dédiée à la réalisation de l'objectif commun d'un avenir énergétique brillant."