Les aimants supraconducteurs à haute température sont prêts pour la fusion selon le MIT

À l’aube du 5 septembre 2021, les ingénieurs ont franchi une étape importante dans les laboratoires du Centre de science des plasmas et de fusion (PSFC) du MIT, lorsqu’un nouveau type d’aimant, fabriqué à partir d’un matériau supraconducteur à haute température, a atteint une intensité de champ magnétique de 20 teslas, un record mondial pour un aimant à grande échelle. C’est l’intensité nécessaire pour construire une centrale à fusion qui devrait produire une puissance nette et potentiellement inaugurer une ère de production d’énergie pratiquement illimitée.

Le test a été immédiatement déclaré comme un succès, ayant satisfait à tous les critères établis pour la conception de l’appareil de fusion, baptisé SPARC, pour lequel les aimants sont la technologie clé. Des bouchons de champagne ont sauté alors que l’équipe épuisée de chercheurs, qui s’étaient donné beaucoup de mal pour rendre l’exploit possible, célébraient leur accomplissement.

Mais cela était loin d’être la fin du processus. Au cours des mois suivants, l’équipe a démonté et inspecté les composants de l’aimant, examiné et analysé les données de centaines d’instruments qui avaient enregistré les détails des tests, et effectué deux autres essais sur le même aimant, le poussant finalement à son point de rupture pour apprendre les détails de tout mode potentiel de défaillance.

Tout ce travail a abouti à un rapport détaillé des chercheurs du PSFC et de l’entreprise dérivée de MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), publié dans une collection de six articles examinés par des pairs dans une édition spéciale du numéro de mars de « IEEE Transactions on Applied Superconductivity ». 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 apprises tout au long du processus.

Vers une production d’énergie pratique

Le succès du test de l’aimant, déclare Dennis Whyte, professeur d’ingénierie chez Hitachi America et récemment directeur du PSFC, est « la chose la plus importante, à mon avis, dans les 30 dernières années de la recherche sur la fusion ».

Avant le test du 5 septembre, les aimants supraconducteurs les plus puissants disponibles étaient assez puissants pour atteindre potentiellement l’énergie de fusion – mais seulement à des tailles et des coûts qui ne pourraient jamais être pratiques ou économiquement viables. Ensuite, lorsque les tests ont montré la praticabilité d’un tel aimant à une taille considérablement réduite, « du jour au lendemain, il a pratiquement modifié le coût par watt d’un réacteur de fusion par un facteur de près de 40 en une seule journée », ajoute encore le professeur.

« Maintenant, la fusion a une chance », ajoute Dennis Whyte. Les tokamaks, le design le plus couramment utilisé pour les appareils de fusion expérimentaux, « 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 de confinement, à pouvoir considérablement réduire la taille et le coût des objets qui rendraient la fusion possible. »

Les données et l’analyse détaillées du test de l’aimant du PSFC, telles que décrites dans les six nouveaux articles, ont démontré que les plans pour une nouvelle génération d’appareils de fusion – celui conçu par le MIT et CFS, ainsi que des conceptions similaires par d’autres entreprises de fusion commerciales – sont construits sur une base solide dans la science.

Une percée supraconductrice

La fusion, le processus de combinaison de petits atomes pour en former de plus gros, alimente le soleil et les étoiles, mais maîtriser ce processus sur Terre s’est avéré être un défi de taille, avec des décennies de travail acharné et des milliards de dollars dépensés sur des appareils expérimentaux. L’objectif à long terme, mais jamais encore atteint, est de construire une centrale de fusion qui produit plus d’énergie qu’elle n’en consomme.

Une telle centrale électrique pourrait produire de l’électricité sans émettre de gaz à effet de serre pendant son fonctionnement et ne générer que très peu de déchets radioactifs. Le combustible de la fusion, une forme d’hydrogène qui peut être dérivé de l’eau de mer, est pratiquement illimité.

Mais pour que cela fonctionne, le combustible doit être comprimé à des températures et des pressions extraordinairement élevées, et comme aucun matériau ne peut résister à de telles températures, le combustible doit être maintenu en place par des champs magnétiques extrêmement puissants.

La production de tels champs requiert des aimants supraconducteurs, mais tous les aimants de 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 degrés Celsius). Dans les dernières années, un matériau plus récent, surnommé REBCO, pour oxyde de baryum de terres rares cuivre, a été ajouté aux aimants de fusion, et permet aux aimants de fonctionner à 20 kelvins, une température qui, malgré les 16 degrés seulement plus chaud, offre des avantages significatifs en termes de propriétés des matériaux et d’ingénierie pratique.

Profiter de ce nouveau matériau supraconducteur à haute température n’était pas une simple question de le substituer dans les conceptions d’aimants existantes. Au lieu de cela, « c’était une refonte complète des principes que vous utilisez pour construire des aimants supraconducteurs », déclare Whyte. Le nouveau matériau REBCO est « extraordinairement différent de la génération précédente de supraconducteurs. Vous n’allez pas simplement l’adapter et le remplacer, vous allez innover à partir de zéro. »

Les nouveaux articles dans Transactions on Applied Superconductivity décrivent les détails de ce processus de réingénierie, maintenant que la protection par brevet est en place.

Légende illustration : Au centre de science des plasmas et de fusion du MIT, les nouveaux aimants ont atteint une intensité de champ magnétique record de 20 teslas pour un aimant à grande échelle.

Articles : Numéro spécial sur le programme SPARC de bobines modèles de champ toroïdal. https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77

Adapté du contenu de David L. Chandler (MIT)