Aimant 20 Tesla de Commonwealth Fusion : un brillant SPARC vers l’avenir de Fusion

Après des décennies de puissance de fusion nucléaire à dix ans, nous sommes soudainement confrontés à une poignée d’efforts s’efforçant d’être les premiers à Q > 1, le moment où un réacteur de fusion nucléaire produira plus d’énergie qu’il n’en faut pour conduire le processus de fusion. en premier lieu. À ce stade, le réacteur Joint European Torus (JET) détient le record du monde avec un Q de 0,67.

Dans le même temps, un grand groupe international s’affaire à construire en France le gigantesque réacteur d’essai tokamak ITER, même s’il ne commencera les expériences de fusion qu’au milieu des années 30. L’idée est qu’ITER fournira les données nécessaires à la construction des premiers réacteurs DEMO qui pourraient voir une fusion commerciale viable dès les années 2040, avec optimisme.

Et puis il y a Commonwealth Fusion Systems (CFS), une startup de l’énergie de fusion. Là où CFS diffère, c’est qu’ils ne cherchent pas à devenir gros, mais essaient plutôt de créer un système tokamak abordable, compact et robuste. Avec leur récente démonstration d’une bobine de champ magnétique supraconductrice à haute température (HTS) de 20 Tesla (T) en oxyde de cuivre et de baryum de terre rare (ReBCO), ils ont fait un grand pas vers leur réacteur de démonstration : SPARC.

Une histoire de tokamaks

Le SFC n’est pas sorti de nulle part. Leurs racines se trouvent dans les recherches sur la fusion nucléaire menées depuis les années 1960 au MIT, lorsqu’un scientifique du nom de Bruno Coppi travaillait sur l’Alcator A (Alà Californiempo Àro étant italien pour High Field Torus) tokamak, qui a vu le premier plasma en 1972. Après une brève période avec une révision B d’Alcator, l’Alcator C a été construit avec une grande mise à niveau de l’alimentation.

Sur la base des résultats de la recherche, un Alcator DCT amélioré avec des bobines de champ supraconductrices a été proposé, mais n’a jamais vu le jour en raison de la crise budgétaire pour la recherche sur la fusion dans les années 1980. Au lieu de cela, l’Alcator C a été modifié (d’où le C-Mod) en tant que solution de compromis. L’Alcator C-Mod continuerait à être utilisé pour la recherche sur la fusion au Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT jusqu’à sa fermeture en 2016.

Panorama de la paroi extérieure du tokamak Alcator C-Mod
Vue panoramique du mur extérieur de l’Alcator C-Mod. L’antenne de fréquence ion-cyclotron tournée avec ses quatre sangles d’antenne en cuivre peut être vue sur la gauche. Le lanceur hybride inférieur avec sa grille de petits guides d’ondes rectangulaires peut être vu au milieu et les antennes de fréquence Ion-Cyclotron non tournées sont vers la droite avec quatre sangles de cuivre. L’entrée du faisceau neutre est le grand trou circulaire près de la droite. (Crédit : Robert Mumgaard)

CFS est un spin-off du PSFC du MIT, qui cherche à combiner des décennies de données et d’enseignements tirés des tokamaks Alcator avec de toutes nouvelles idées et de tout nouveaux matériaux. Une grande partie de leur plan d’affaires est contenue dans un article publié en 2015 dans Ingénierie et conception de fusion, par BN Sorbom et al. (ArXiv preprint) intitulé ARC : une installation de science nucléaire de fusion compacte à haut champ et une centrale électrique de démonstration avec des aimants démontables.

Ici, ARC signifie à la fois abordable, robuste et compact, en plus d’être un clin d’œil au réacteur Arc de Howard Stark dans l’univers fictif d’Iron Man.

Haute technologie et facile à assembler

Diagramme éclaté du réacteur ARC
Un schéma éclaté d’un réacteur ARC, montrant la facilité d’accès à l’enceinte à vide. Aucun divertisseur n’est représenté par souci de simplicité. (Crédit : BN Sorbom et al. 2015)

Ce qui rend le réacteur ARC et le prototype de réacteur SPARC si fascinants par rapport aux autres tokamaks, c’est leur nature hautement modulaire, tout en ajoutant des éléments de conception que l’on ne trouve pas dans d’autres tokamaks. L’élément de conception majeur qui a été démontré avec l’aimant 20 T HTS ce mois-ci est fascinant non seulement en raison de son immense intensité de champ pour sa taille et sa puissance absorbée, mais aussi en ce qu’il peut être facilement démonté.

L’ensemble du réacteur ARC est construit autour du principe d’une enceinte à vide centrale dans laquelle se déroulent les réactions de fusion, cette enceinte à vide étant entourée d’une couverture liquide FLiBe (Fluorine Lithium Beryllium) qui fournit des fonctionnalités de modération, de protection et de refroidissement des neutrons, ainsi que produire le tritium qui fait partie du combustible deutérium-tritium qui alimente le réacteur.

Autour de l’enceinte à vide et du confinement du liquide FLiBe se trouvent les aimants ReBCO HTS en forme de D caractéristique qui a été déterminée expérimentalement via les tokamaks Alcator. Pourtant, plutôt que d’être des aimants singuliers, ils peuvent s’ouvrir, pour permettre à l’ensemble interne, y compris l’enceinte à vide, d’être facilement échangé pour la maintenance et pour essayer différentes configurations de test.

Comme indiqué également dans l’article de 2015 de BN Sorbom et al., ces aimants sont le seul risque majeur dans l’ensemble de la conception, en ce sens que personne n’avait auparavant utilisé des matériaux HTS YBCO (oxyde de cuivre et de baryum d’yttrium) pour des électroaimants comme celui-ci. Ce que montre la récente démonstration, cependant, c’est que le SCF semble maintenant s’être attaqué à ce problème.

Grâce à l’utilisation de ces aimants à base de ReBCO, un réacteur SPARC devrait être capable de générer des champs extrêmement puissants avec très peu de puissance d’entrée. C’est la clé du succès de l’ARC en tant que modèle pour un réacteur commercial potentiel et de bon augure pour le réacteur SPARC.

Un autre avantage majeur est que l’utilisation d’aimants HTS signifie que SPARC n’aura pas besoin de l’hélium cryogénique exotique et coûteux qui refroidit les aimants d’ITER, mais peut utiliser à la place de l’azote liquide beaucoup moins cher.

Prochaines étapes

Vue schématique de la bande ReBCO
Vue schématique en coupe transversale du ruban supraconducteur ReBCO de SuperPower Inc. utilisé par SPARC. (Source : BN Sorbom et al. (2015))

Commonwealth Fusion Systems a présenté une feuille de route sur son site Web détaillant les étapes qui restent à franchir. La première étape consistait à rassembler les bases à l’aide de l’Alcator C-Mod, comme indiqué précédemment dans cet article. La deuxième étape consistait à trier les aimants HTS, qui semblent maintenant avoir également été cochés de la liste. Cela nous amène ensuite à la troisième étape, qui est la construction d’un réacteur SPARC.

La quatrième et dernière étape est la construction d’un réacteur ARC, qui est labellisé par le CFS comme étape de commercialisation. Cela signifie essentiellement qu’une fois l’étape de l’aimant abordée, CFS peut maintenant prouver que le concept ARC fonctionne.

Selon le site Web du CFS, un site a été sélectionné pour la construction du SPARC et la construction est en cours. Les événements ultérieurs seraient la première génération de plasma et d’électricité nette, avec un Q prévu > 2, dont une grande partie dépendrait des problèmes potentiels découverts pendant la construction et les tests initiaux.

Un élément évident qui n’a pas été couvert dans l’article original de 2015, et qui n’a pas été traité en détail depuis à la connaissance de cet écrivain sont les divertisseurs dans SPARC (et par la suite ARC). Ce sont des dispositifs qui permettent d’éliminer les impuretés du plasma pendant que le réacteur est actif. Ils sont essentiels au fonctionnement soutenu d’un réacteur à fusion.

Généralement, du combustible serait constamment ajouté à la réaction de fusion, tandis que l’hélium fondu serait retiré, afin de garantir que la réaction de fusion n’est pas interrompue par les déchets. Dans Alcator C-Mod, des divertisseurs ont été installés le long du haut et du bas de l’enceinte à vide, tandis que dans ITER et JET, le fond de l’enceinte est utilisé pour le divertor.

Comme les diverteurs sont la région où le plasma se rapproche le plus de la paroi, ils doivent donc être refroidis. Dans le cas de l’ARC et du SPARC, cela devrait être fait en utilisant le fluide FLiBe. Une question majeure de recherche et de développement avec SPARC sera probablement la configuration et le fonctionnement exacts de ces divertisseurs. Naturellement, étant donné que l’échange rapide de l’enceinte à vide et des structures environnantes est une caractéristique de SPARC, il devrait être possible de travailler sur un grand nombre de configurations en peu de temps.

Regarder vers l’avant

Avec le réacteur ARC, on espère créer un réacteur à fusion d’un rayon de 3,3 m pouvant atteindre un Q > 13, avec une puissance électrique de 270 MW. Cela se compare à un rayon majeur de 6,2 m pour ITER avec un champ magnétique sur l’axe de 5,3 T, où ARC aurait un champ magnétique sur l’axe de 9,2 T. La perspective passionnante avec ARC est donc essentiellement celle d’atteindre un thermique similaire et la production électrique dans un réacteur beaucoup plus petit.

Comme pour tous ces projets, il est difficile de dire avec certitude ce qui fonctionnera, comme l’a démontré le siècle dernier avec les réacteurs à fusion Z-pinch qui semblaient n’être qu’à quelques années de la commercialisation dans les années 1950. Malgré cela, notre connaissance de la physique des plasmas et des domaines connexes a considérablement augmenté depuis ces premiers jours. Que l’ARC, une autre conception de tokamak ou peut-être un stellarator dérivé du projet Wendelstein soit le premier à montrer la voie à une fusion nucléaire commerciale économiquement viable est toujours en suspens.

Une chose est cependant assez claire, et c’est que le vieil adage selon lequel la puissance de fusion serait toujours dans une décennie risque fort d’être définitivement abandonné dans les années à venir.

[Heading image: Conceptualized image of a SPARC reactor cross-section with humans for scale. (Credit: Commonwealth Fusion Systems)]