Alors que les chercheurs du monde entier s’efforcent de développer des alternatives viables aux combustibles fossiles, l’énergie de fusion nucléaire, qui exploite les mêmes réactions génératrices d’énergie que le soleil, suscite un intérêt croissant auprès des sociétés de capital-investissement.
En 2022, le Département de l’Énergie des États-Unis a lancé un partenariat avec des investisseurs du secteur privé pour accélérer le développement de l’énergie de fusion, en partie grâce à la mise en place d’une centrale pilote de fusion, ou FPP, aux États-Unis.
Le FPP et l’ITER, le plus grand réacteur de fusion nucléaire du monde actuellement en construction en France, représentent l’avenir de la fusion, selon Eugenio Schuster, professeur de génie mécanique et de mécanique à l’Université de Lehigh.
Assurer le succès de la fusion nucléaire
Pour que cet avenir soit un succès, il est nécessaire que les réacteurs fonctionnent dans des limites de sécurité, de stabilité et de contrôlabilité, précise Eugenio Schuster.
Le professeur, qui dirige le groupe de contrôle du plasma de l’Université de Lehigh, a récemment reçu une subvention de 1,6 million de dollars du DOE pour mener des expériences sur l’installation nationale de fusion DIII-D à San Diego.
Ces expériences serviront à améliorer le fonctionnement de l’ITER, du FPP et des futurs réacteurs grâce au développement de contrôles avancés et à l’application de l’apprentissage automatique.
Les défis de la fusion nucléaire
Les défis à relever sont nombreux et extrêmement complexes. Par exemple, les chercheurs ne peuvent pas étudier le type de plasma, appelé plasma brûlant, qui sera présent dans les réacteurs de fusion.
« Dans des dispositifs comme le DIII-D, nous créons un gaz très chaud dans un état de plasma, et l’objectif est d’étudier la physique de ce plasma et comment le confiner de manière stable », explique-t-il.
« Mais ce n’est pas le type de gaz que nous allons utiliser dans l’ITER ou dans le FPP. En fait, le gaz utilisé diminue la probabilité de fusion dans le DIII-D au lieu de l’augmenter. Nous ne voulons pas avoir de réactions de fusion nucléaire dans ces dispositifs expérimentaux car alors tout devient radioactif et il devient beaucoup plus compliqué de réaliser des expériences. »
Le Rôle de l’Apprentissage Automatique dans la Fusion Nucléaire
À la place, les chercheurs doivent développer les outils dont ils auront finalement besoin pour contrôler le plasma brûlant d’un réacteur comme l’ITER ou le FPP, sur un banc d’essai comme le DIII-D. En utilisant le DIII-D, l’équipe émulera les conditions d’un véritable réacteur nucléaire pour mieux comprendre la dynamique du plasma et développer les solutions de contrôle nécessaires.
Ces solutions seront finalement extrapolées à l’ITER ou au FPP en suivant une approche basée sur des modèles.
« Il y a trois éléments clés dans la conception du contrôle », dit-il. « L’un est l’algorithme de contrôle, ou le contrôleur, et c’est sur quoi nous travaillons dans mon groupe. Sur la base de modèles de réponse du plasma, nous développons des algorithmes qui maintiendront la dynamique du plasma stable et atteindront le niveau de performance nécessaire pour le fonctionnement du réacteur. Les deux autres éléments sont les actionneurs, qui peuvent modifier la dynamique, et les capteurs qui sont vos yeux, en quelque sorte, sur ce qui se passe. »
Un Avenir Prometteur pour la Fusion Nucléaire
Eugenio Schuster souligne que tous les problèmes inhérents à un tel défi ne seront pas résolus dans le cadre d’un projet de trois ans. Mais le travail fera avancer l’état de l’art par des pas en avant incrémentaux mais significatifs.
Un autre objectif du projet est d’attirer plus de chercheurs dans le domaine de l’énergie de fusion nucléaire. La main-d’œuvre nécessaire pour progresser n’a pas suivi l’intérêt croissant pour la fusion et l’industrie naissante de la fusion nucléaire, dit Eugenio Schuster, et la subvention soutiendra quatre étudiants en doctorat qui travailleront tous finalement à San Diego dans le cadre de leur programme de doctorat.
« C’est une période passionnante pour être dans ce domaine. Les avancées dans la technologie des aimants, les matériaux, le traitement informatique et l’apprentissage automatique, combinées à des investissements publics et privés substantiels, rapprochent un peu plus le rêve d’une énergie propre et illimitée de la réalité. Si je n’y croyais pas, je ne travaillerais pas dessus », dit-il. « Je suis optimiste quant à sa réalisation éventuelle. »
En synthèse
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’énergie de fusion nucléaire ?
L’énergie de fusion nucléaire est une forme d’énergie produite en fusionnant deux noyaux atomiques légers pour former un noyau plus lourd, un processus qui libère une quantité considérable d’énergie.
Pourquoi la fusion nucléaire est-elle considérée comme une source d’énergie ?
Elle est considérée comme prometteuse car elle pourrait fournir une source d’énergie massive, durable et propre, avec des déchets radioactifs bien moins problématiques que ceux produits par les réacteurs de fission nucléaire actuels.
Quels sont les principaux défis de la fusion nucléaire ?
Les défis incluent la création et le maintien d’un plasma suffisamment chaud et stable pour permettre la fusion, ainsi que le développement de matériaux et de technologies capables de résister aux conditions extrêmes à l’intérieur d’un réacteur de fusion.
Quel est le rôle des algorithmes et de l’apprentissage automatique dans la fusion ?
Ils sont utilisés pour développer des systèmes de contrôle avancés capables de gérer la dynamique complexe du plasma et d’assurer la stabilité et l’efficacité des réacteurs de fusion.
Qu’est-ce que le projet ITER et en quoi est-il important ?
ITER est un projet international visant à construire le plus grand réacteur de fusion nucléaire expérimental au monde, qui servira de test pour démontrer la faisabilité de la fusion nucléaire comme source d’énergie à grande échelle.
Références
Légende illustration : Le premier module de la chambre à plasma toroïdal d’ITER est placé dans la fosse du tokamak. Chacun des neuf modules, qui se compose d’un secteur d’enceinte à vide de 40° recouvert d’écrans thermiques et de deux bobines supraconductrices à champ toroïdal, pèse environ l’équivalent de quatre Boeing 747 à pleine charge et est aussi haut qu’un immeuble de six étages. Le tokamak ITER, en cours de construction dans le sud de la France, sera le plus grand réacteur de fusion au monde. Crédit : Eugenio Schuster/Lehigh University
>> Paving the way toward a fusion pilot plant
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