À l'aube du 5 septembre 2021, les ingénieurs ont franchi une étape majeure dans les laboratoires du Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT, lorsqu'un nouveau type d'aimant, fabriqué à partir d'un matériau supraconducteur à haute température, a atteint un record mondial. intensité de champ magnétique de 20 tesla pour un aimant à grande échelle. C'est l'intensité nécessaire pour construire une centrale à fusion qui devrait produire une production nette d'électricité et potentiellement ouvrir la voie à une ère de production d'électricité pratiquement illimitée.
Le test a été immédiatement déclaré réussi, car il répondait à tous les critères établis pour la conception du nouveau dispositif de fusion, baptisé SPARC, pour lequel les aimants constituent la technologie clé. Les bouchons de champagne ont éclaté alors que l'équipe fatiguée d'expérimentateurs, qui avaient travaillé longtemps et durement pour rendre cet objectif possible, célébrait leur accomplissement.
Mais le processus était loin d’être terminé. Au cours des mois qui ont suivi, l'équipe a démonté et inspecté les composants de l'aimant, s'est penchée et analysé les données de centaines d'instruments qui ont enregistré les détails des tests, et a effectué deux tests supplémentaires sur le même aimant, le poussant finalement à son objectif. point de rupture afin de connaître les détails de tous les modes de défaillance possibles.
Tous ces travaux ont maintenant abouti à un rapport détaillé rédigé par des chercheurs du PSFC et de la société dérivée du MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), publié dans une collection de six articles évalués par des pairs dans une édition spéciale du numéro de mars de IEEE Transactions. sur la supraconductivité appliquée .
Ensemble, les articles décrivent la conception et la fabrication de l'aimant et de l'équipement de diagnostic nécessaire pour évaluer ses performances, ainsi que les leçons tirées du processus. Dans l'ensemble, l'équipe a constaté que les prévisions et la modélisation informatique étaient exactes, vérifiant que les éléments de conception uniques de l'aimant pourraient servir de base à une centrale électrique à fusion.
Selon Dennis Whyte, professeur d'ingénierie chez Hitachi America et qui a récemment quitté son poste de directeur du PSFC, le test réussi de l'aimant était "à mon avis, la chose la plus importante des 30 dernières années de recherche sur la fusion".>
Avant la démonstration du 5 septembre, les meilleurs aimants supraconducteurs disponibles étaient suffisamment puissants pour potentiellement produire de l’énergie de fusion, mais seulement à des tailles et à des coûts qui ne pourraient jamais être pratiques ou économiquement viables. Ensuite, lorsque les tests ont montré l'utilité d'un aimant aussi puissant avec une taille considérablement réduite, "du jour au lendemain, cela a fondamentalement modifié le coût par watt d'un réacteur à fusion d'un facteur de près de 40 en une journée", explique Whyte.
"Maintenant, la fusion a une chance", ajoute Whyte. Les tokamaks, la conception la plus largement utilisée pour les dispositifs expérimentaux de fusion, « ont une chance, à mon avis, d'être économiques parce que vous avez un changement quantique dans votre capacité, avec les règles connues de la physique du confinement, à être capable de réduire considérablement la la taille et le coût des objets qui rendraient la fusion possible."
Les données et analyses complètes du test magnétique du PSFC, telles que détaillées dans les six nouveaux articles, ont démontré que les plans pour une nouvelle génération de dispositifs de fusion – celui conçu par le MIT et le CFS, ainsi que des conceptions similaires par d'autres sociétés commerciales de fusion – sont construits sur une base solide en science.
La fusion, le processus de combinaison d'atomes légers pour en former des plus lourds, alimente le soleil et les étoiles, mais exploiter ce processus sur Terre s'est avéré être un défi de taille, avec des décennies de travail acharné et plusieurs milliards de dollars dépensés en dispositifs expérimentaux. P>
L’objectif recherché depuis longtemps, mais jamais atteint, est de construire une centrale électrique à fusion qui produit plus d’énergie qu’elle n’en consomme. Une telle centrale pourrait produire de l’électricité sans émettre de gaz à effet de serre lors de son fonctionnement, et générant très peu de déchets radioactifs. Le carburant de fusion, une forme d'hydrogène qui peut être dérivée de l'eau de mer, est pratiquement illimité.
Mais pour que cela fonctionne, il faut comprimer le carburant à des températures et des pressions extraordinairement élevées, et comme aucun matériau connu ne peut résister à de telles températures, le carburant doit être maintenu en place par des champs magnétiques extrêmement puissants. La production de champs aussi puissants nécessite des aimants supraconducteurs, mais tous les aimants à fusion précédents ont été fabriqués avec un matériau supraconducteur qui nécessite des températures glaciales d'environ 4 degrés au-dessus du zéro absolu (4 kelvins ou -270°C).
Ces dernières années, un nouveau matériau surnommé REBCO, pour oxyde de cuivre et de baryum de terres rares, a été ajouté aux aimants à fusion et leur permet de fonctionner à 20 kelvins, une température qui, bien qu'elle ne soit que de 16 kelvins plus chaude, apporte des avantages significatifs en termes de température. des propriétés des matériaux et de l'ingénierie pratique.
Tirer parti de ce nouveau matériau supraconducteur à haute température ne consistait pas seulement à le remplacer dans les conceptions d’aimants existantes. Au lieu de cela, "il s'agissait d'une refonte complète de presque tous les principes que vous utilisez pour construire des aimants supraconducteurs", explique Whyte. Le nouveau matériau REBCO est "extraordinairement différent de la génération précédente de supraconducteurs. Vous n'allez pas seulement l'adapter et le remplacer, vous allez en fait innover à partir de zéro". Les nouveaux articles dans Transactions IEEE sur la supraconductivité appliquée décrivez les détails de ce processus de refonte, maintenant que la protection par brevet est en place.
Une innovation clé :Pas d'isolation
L’une des innovations spectaculaires, dont beaucoup d’autres dans le domaine étaient sceptiques quant à ses chances de succès, a été l’élimination de l’isolation autour des minces rubans plats de ruban supraconducteur qui formaient l’aimant. Comme pratiquement tous les fils électriques, les aimants supraconducteurs classiques sont entièrement protégés par un matériau isolant pour éviter les courts-circuits entre les fils. Mais dans le nouvel aimant, la bande était complètement nue; les ingénieurs se sont appuyés sur la conductivité bien plus élevée de REBCO pour maintenir le courant circulant à travers le matériau.
"Lorsque nous avons lancé ce projet, disons en 2018, la technologie consistant à utiliser des supraconducteurs à haute température pour construire des aimants à champ élevé à grande échelle en était à ses balbutiements", explique Zach Hartwig, professeur de développement de carrière Robert N. Noyce au département. de la science et de l'ingénierie nucléaires. Hartwig est co-nominé au PSFC et dirige son groupe d'ingénierie, qui a dirigé le projet de développement de l'aimant.
"L'état de l'art consistait en de petites expériences sur table, pas vraiment représentatives de ce qu'il fallait pour construire un objet grandeur nature. Notre projet de développement d'aimants a commencé à l'échelle d'une table et s'est terminé à grande échelle en peu de temps", ajoute-t-il. , notant que l'équipe a construit un aimant de 20 000 livres qui a produit un champ magnétique stable et uniforme d'un peu plus de 20 tesla, bien au-delà de tout champ de ce type jamais produit à grande échelle.
"La manière standard de construire ces aimants est d'enrouler le conducteur et d'avoir une isolation entre les enroulements, et vous avez besoin d'une isolation pour faire face aux hautes tensions générées lors d'événements anormaux tels qu'un arrêt." L'élimination des couches d'isolation, dit-il, « présente l'avantage d'être un système basse tension. Cela simplifie grandement les processus et le calendrier de fabrication ». Cela laisse également plus de place pour d'autres éléments, comme plus de refroidissement ou plus de structure pour plus de résistance.
L'ensemble magnétique est une version légèrement plus petite de ceux qui formeront la chambre en forme de beignet du dispositif de fusion SPARC actuellement construit par CFS à Devens, Massachusetts. Il se compose de 16 plaques, appelées crêpes, chacune portant d'un côté un enroulement en spirale de la bande supraconductrice et de l'autre des canaux de refroidissement pour l'hélium gazeux.
Mais la conception sans isolation était considérée comme risquée et beaucoup de choses dépendaient du programme de tests. "Il s'agissait du premier aimant à une échelle suffisante qui explorait réellement ce qu'impliquaient la conception, la construction et les tests d'un aimant avec cette technologie dite sans isolation et sans torsion", explique Hartwig. "La communauté a été très surprise lorsque nous avons annoncé qu'il s'agissait d'un serpentin sans isolation."
Le test initial, décrit dans des articles précédents, a prouvé que le processus de conception et de fabrication non seulement fonctionnait mais était également très stable, ce dont certains chercheurs doutaient. Les deux tests suivants, également réalisés fin 2021, ont ensuite poussé l’appareil dans ses retranchements en créant délibérément des conditions instables, notamment une coupure complète de l’alimentation électrique pouvant conduire à une surchauffe catastrophique. Connu sous le nom de trempe, ce scénario est considéré comme le pire des cas pour le fonctionnement de tels aimants, avec le potentiel de détruire l'équipement.
Une partie de la mission du programme d'essais, dit Hartwig, était « d'éteindre intentionnellement un aimant à grande échelle, afin que nous puissions obtenir les données critiques à la bonne échelle et dans les bonnes conditions pour faire progresser la science, valider » "
Ce test final, qui s'est terminé par la fonte d'un coin de l'une des 16 crêpes, a produit une multitude de nouvelles informations, explique Hartwig. D'une part, ils avaient utilisé plusieurs modèles informatiques différents pour concevoir et prédire les performances de divers aspects de la performance de l'aimant, et pour la plupart, les modèles concordaient dans leurs prédictions globales et étaient bien validés par la série de tests et mesures du monde réel. Mais en prédisant l'effet de l'extinction, les prédictions des modèles divergeaient, il était donc nécessaire d'obtenir des données expérimentales pour évaluer la validité des modèles.
"Les modèles les plus fidèles que nous avions prédits presque exactement comment l'aimant se réchaufferait, dans quelle mesure il se réchaufferait lorsqu'il commencerait à s'éteindre et où seraient les dommages qui en résulteraient sur l'aimant", dit-il. Comme décrit en détail dans l'un des nouveaux rapports, "Ce test nous a en fait révélé exactement la physique qui se déroulait, et il nous a indiqué quels modèles étaient utiles à l'avenir et lesquels laisser de côté parce qu'ils ne sont pas corrects."
Whyte explique :« Fondamentalement, nous avons fait exprès la pire chose possible à une bobine, après avoir testé tous les autres aspects de ses performances. Et nous avons constaté que la majeure partie de la bobine a survécu sans dommage », tandis qu'une zone isolée a subi quelques dégâts. fusion. "C'est comme si quelques pour cent du volume de la bobine ont été endommagés." Et cela a conduit à des révisions de la conception qui devraient empêcher de tels dommages dans les aimants du dispositif de fusion, même dans les conditions les plus extrêmes.
Hartwig souligne que l'une des principales raisons pour lesquelles l'équipe a pu réaliser une nouvelle conception d'aimant record aussi radicale, et réussir du premier coup et dans un délai très serré, était grâce au niveau approfondi de connaissances, d'expertise et d'équipement accumulés. au fil des décennies d'exploitation du tokamak Alcator C-Mod, du Francis Bitter Magnet Laboratory et d'autres travaux menés au PSFC. "Cela touche au cœur des capacités institutionnelles d'un endroit comme celui-ci", dit-il. "Nous avions la capacité, l'infrastructure, l'espace et les personnes nécessaires pour faire ces choses sous un même toit."
La collaboration avec le CFS a également été essentielle, dit-il, car le MIT et le CFS combinent les aspects les plus puissants d'un établissement universitaire et d'une entreprise privée pour réaliser ensemble des choses que ni l'un ni l'autre n'auraient pu faire seuls. « Par exemple, l'une des contributions majeures du CFS a été de tirer parti de la puissance d'une entreprise privée pour établir et étendre une chaîne d'approvisionnement à un niveau et dans un délai sans précédent pour le matériau le plus critique du projet :300 kilomètres (186 miles) de haute -un supraconducteur de température, qui a été acquis avec un contrôle qualité rigoureux en moins d'un an et intégré dans les délais dans l'aimant."
L'intégration des deux équipes, celles du MIT et celles du CFS, a également été cruciale pour le succès, dit-il. "Nous nous considérions comme une seule équipe, et cela a permis de faire ce que nous avons fait."
Plus d'informations : Articles :Numéro spécial sur le programme de bobines de modèle de champ toroïdal SPARC
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
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, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.
