C'était un moment de trois ans dans la fabrication, basé sur un travail de recherche et de conception intensif :le 5 septembre, pour la première fois, un grand électro-aimant supraconducteur à haute température a été porté à une intensité de champ de 20 tesla, le champ magnétique le plus puissant du genre jamais créé sur Terre. Cette démonstration réussie aide à résoudre la plus grande incertitude dans la quête pour construire la première centrale électrique à fusion au monde capable de produire plus d'énergie qu'elle n'en consomme, selon les responsables du projet au MIT et la start-up Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Cette avance ouvre la voie, ils disent, pour la création tant recherchée de pratiques, peu coûteux, des centrales électriques sans carbone qui pourraient apporter une contribution majeure à la limitation des effets du changement climatique mondial.

"La fusion est à bien des égards la source d'énergie propre par excellence, " dit Maria Zuber, Vice-président du MIT pour la recherche et professeur de géophysique E. A. Griswold. "La quantité de puissance disponible change vraiment la donne." Le combustible utilisé pour créer l'énergie de fusion provient de l'eau, et "la Terre est pleine d'eau, c'est une ressource presque illimitée. Nous devons juste trouver comment l'utiliser."

Le développement du nouvel aimant est considéré comme le plus grand obstacle technologique à la réalisation de cet objectif ; son opération réussie ouvre désormais la porte à la démonstration de la fusion dans un laboratoire sur Terre, qui a été poursuivi pendant des décennies avec des progrès limités. Avec la technologie des aimants maintenant démontrée avec succès, la collaboration MIT-CFS est en bonne voie pour construire le premier dispositif de fusion au monde capable de créer et de confiner un plasma qui produit plus d'énergie qu'il n'en consomme. Cet appareil de démonstration, appelé SPARC, devrait être achevé en 2025.

« Les défis de la fusion sont à la fois techniques et scientifiques, " dit Dennis Whyte, directeur du Plasma Science and Fusion Center du MIT, qui travaille avec CFS pour développer SPARC. Mais une fois la technologie éprouvée, il dit, "c'est un inépuisable, source d'énergie sans carbone que vous pouvez déployer n'importe où et à tout moment. C'est vraiment une source d'énergie fondamentalement nouvelle."

Pourquoi, qui est le professeur d'ingénierie Hitachi America, affirme que la manifestation de cette semaine représente une étape importante, répondre aux plus grandes questions qui subsistent quant à la faisabilité de la conception SPARC. "C'est vraiment un moment décisif, Je crois, en science et technologie de la fusion, " il dit.

Le soleil en bouteille

La fusion est le processus qui alimente le soleil :la fusion de deux petits atomes pour en faire un plus gros, libérant des quantités prodigieuses d'énergie. Mais le processus nécessite des températures bien au-delà de ce que tout matériau solide pourrait supporter. Pour capturer la source d'énergie du soleil ici sur Terre, ce qu'il faut, c'est un moyen de capturer et de contenir quelque chose d'aussi chaud-100, 000, 000 degrés ou plus—en le suspendant de manière à l'empêcher d'entrer en contact avec quoi que ce soit de solide.

Cela se fait grâce à des champs magnétiques intenses, qui forment une sorte de bouteille invisible pour contenir la soupe chaude tourbillonnante de protons et d'électrons, appelé plasma. Parce que les particules ont une charge électrique, ils sont fortement contrôlés par les champs magnétiques, et la configuration la plus largement utilisée pour les contenir est un dispositif en forme de beignet appelé tokamak. La plupart de ces appareils ont produit leurs champs magnétiques à l'aide d'électro-aimants classiques en cuivre, mais la dernière et la plus grande version en construction en France, appelé ITER, utilise ce que l'on appelle des supraconducteurs à basse température.

L'innovation majeure dans la conception de la fusion MIT-CFS est l'utilisation de supraconducteurs à haute température, qui permettent un champ magnétique beaucoup plus fort dans un espace plus petit. Cette conception a été rendue possible grâce à un nouveau type de matériau supraconducteur qui est devenu disponible dans le commerce il y a quelques années. L'idée est née initialement comme un projet de classe dans une classe d'ingénierie nucléaire enseignée par Whyte. L'idée semblait si prometteuse qu'elle a continué à être développée au cours des prochaines itérations de cette classe, menant au concept de conception de la centrale ARC au début de 2015. SPARC, conçu pour être environ la moitié de la taille de l'ARC, est un banc d'essai pour prouver le concept avant la construction de la taille réelle, centrale électrique.

Jusqu'à maintenant, le seul moyen d'obtenir les champs magnétiques colossaux nécessaires pour créer une "bouteille" magnétique capable de contenir du plasma chauffé jusqu'à des centaines de millions de degrés était de les rendre de plus en plus grands. Mais le nouveau matériau supraconducteur à haute température, réalisé sous la forme d'un plat, ruban en forme de ruban, permet d'obtenir un champ magnétique plus élevé dans un appareil plus petit, égalant les performances qui seraient atteintes dans un appareil 40 fois plus volumineux utilisant des aimants supraconducteurs conventionnels à basse température. Ce saut de puissance par rapport à la taille est l'élément clé de la conception révolutionnaire d'ARC.

L'utilisation des nouveaux aimants supraconducteurs à haute température permet d'appliquer des décennies de connaissances expérimentales acquises grâce au fonctionnement des expériences de tokamak, y compris la propre série Alcator du MIT. La nouvelle approche utilise une conception bien connue mais réduit tout à environ la moitié de la taille linéaire et atteint toujours les mêmes conditions opérationnelles en raison du champ magnétique plus élevé.

Une série d'articles scientifiques publiés l'année dernière a décrit la base physique et, par simulation, confirmé la viabilité du nouveau dispositif de fusion. Les journaux ont montré que, si les aimants fonctionnaient comme prévu, l'ensemble du système de fusion devrait en effet produire une puissance nette, pour la première fois depuis des décennies de recherche sur la fusion.

Martin Greenwald, directeur adjoint et chercheur principal au PSFC, dit contrairement à d'autres conceptions d'expériences de fusion, "le créneau que nous occupions était d'utiliser la physique conventionnelle des plasmas, et la conception et l'ingénierie des tokamaks conventionnels, mais apportez-y cette nouvelle technologie d'aimant. Donc, nous n'avions pas besoin d'innovation dans une demi-douzaine de domaines différents. On innoverait juste sur l'aimant, et ensuite appliquer la base de connaissances de ce qui a été appris au cours des dernières décennies."

Cette combinaison de principes de conception scientifiquement établis et de force de champ magnétique révolutionnaire est ce qui permet de réaliser une usine qui pourrait être économiquement viable et développée rapidement. "C'est un grand moment, " dit Bob Mumgaard, PDG de CFS. « Nous avons désormais une plateforme à la fois scientifiquement très avancée, en raison des décennies de recherche sur ces machines, et aussi commercialement très intéressant. Cela nous permet de construire des appareils plus rapidement, plus petite, et à moindre coût, " dit-il à propos de la démonstration réussie de l'aimant.

Preuve du concept

La concrétisation de ce nouveau concept d'aimant a nécessité trois années de travail intensif sur la conception, établir des chaînes d'approvisionnement, et l'élaboration de méthodes de fabrication d'aimants qui pourraient éventuellement devoir être produits par milliers.

"Nous avons construit une première du genre, aimant supraconducteur. Il a fallu beaucoup de travail pour créer des procédés de fabrication et des équipements uniques. Par conséquent, nous sommes maintenant bien préparés pour accélérer la production de SPARC, " dit Joy Dunn, chef des opérations au CFS. "Nous avons commencé avec un modèle physique et une conception CAO, et travaillé à travers de nombreux développements et prototypes pour transformer une conception sur papier en cet aimant physique réel. comprenant un processus itératif avec plusieurs fournisseurs de la bande supraconductrice, pour les aider à atteindre la capacité de produire du matériel répondant aux spécifications requises, et pour lequel CFS est désormais le plus grand utilisateur au monde.

Ils ont travaillé avec deux modèles d'aimants possibles en parallèle, les deux ont fini par répondre aux exigences de conception, elle dit. « Il s'agissait vraiment de savoir qui allait révolutionner la façon dont nous fabriquons des aimants supraconducteurs, et lequel était le plus facile à construire. » La conception qu'ils ont adoptée se démarque clairement à cet égard, elle dit.

Dans cet essai, le nouvel aimant a été progressivement mis sous tension en une série d'étapes jusqu'à atteindre l'objectif d'un champ magnétique de 20 tesla, l'intensité de champ la plus élevée jamais atteinte pour un aimant de fusion supraconducteur à haute température. L'aimant est composé de 16 plaques empilées, chacun d'eux serait à lui seul l'aimant supraconducteur à haute température le plus puissant au monde.

"Il y a trois ans, nous avons annoncé un plan, " dit Mumgaard, "pour construire un aimant de 20 teslas, c'est ce dont nous aurons besoin pour les futures machines à fusion. » Cet objectif est désormais atteint, juste à temps, même avec la pandémie, il dit.

Citant la série d'articles de physique publiés l'année dernière, Brandon Sorbom, le directeur scientifique du SCF, dit "essentiellement les journaux concluent que si nous construisons l'aimant, toute la physique fonctionnera dans SPARC. Donc, cette démonstration répond à la question :Peuvent-ils construire l'aimant ? C'est une période très excitante ! C'est une étape importante."

La prochaine étape sera la construction de SPARC, une version à plus petite échelle de la centrale électrique ARC prévue. L'exploitation réussie de SPARC démontrera qu'une centrale à fusion commerciale à grande échelle est pratique, ouvrant la voie à une conception et à une construction rapides de ce dispositif pionnier, on peut alors avancer à pleine vitesse.

Zuber déclare que « je suis maintenant vraiment optimiste que SPARC peut atteindre une énergie positive nette, sur la base des performances démontrées des aimants. La prochaine étape est de passer à l'échelle, construire une véritable centrale électrique. Il y a encore de nombreux défis à relever, dont non le moindre est le développement d'une conception qui permet une fiabilité, fonctionnement soutenu. Et réalisant que le but ici est la commercialisation, un autre défi majeur sera économique. Comment concevez-vous ces centrales pour qu'il soit rentable de les construire et de les déployer ? »

Un jour dans un avenir espéré, alors qu'il peut y avoir des milliers de centrales à fusion alimentant des réseaux électriques propres dans le monde, Zuber dit, "Je pense que nous allons regarder en arrière et réfléchir à la façon dont nous y sommes arrivés, et je pense que la démonstration de la technologie des aimants, pour moi, c'est le moment où j'ai cru que, Wow, nous pouvons vraiment le faire."

La création réussie d'un dispositif de fusion produisant de l'énergie serait une formidable réalisation scientifique, note Zuber. Mais ce n'est pas l'essentiel. "Aucun de nous n'essaie de gagner des trophées à ce stade. Nous essayons de garder la planète vivable."

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.