Selon une nouvelle étude, un mélange différent de combustibles aux propriétés améliorées pourrait permettre de surmonter certains des principaux obstacles qui empêchent de faire de la fusion une source d’énergie plus pratique.
L’approche proposée utiliserait toujours le deutérium et le tritium, qui sont généralement considérés comme la paire de combustibles la plus prometteuse pour la production d’énergie de fusion. Toutefois, les propriétés quantiques du combustible seraient ajustées pour obtenir une efficacité maximale à l’aide d’un processus existant connu sous le nom de polarisation de spin. Outre la polarisation de spin de la moitié des combustibles, le pourcentage de deutérium serait augmenté par rapport à la quantité habituelle d’environ 60 % ou plus.
Les modèles créés par les scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du ministère américain de l’énergie ont montré que cette approche permettait au tritium de brûler plus efficacement sans sacrifier la puissance de fusion. Cela pourrait réduire considérablement la quantité de tritium nécessaire pour démarrer et maintenir les réactions de fusion, ce qui permettrait de mettre au point des systèmes de fusion plus compacts et plus abordables.
« La fusion est vraiment, vraiment difficile, et la nature ne vous fait pas beaucoup de faveurs », a précisé Jason Parisi, chercheur physicien au laboratoire et premier auteur de l’article de recherche. « L‘ampleur de l’amélioration a donc été surprenante. »
L’article, publié dans la revue Nuclear Fusion, suggère que l’approche pourrait brûler le tritium jusqu’à 10 fois plus efficacement. La recherche souligne également le rôle du PPPL à la pointe de l’innovation en matière de fusion, en particulier lorsqu’il s’agit d’un système tel que celui étudié par Parisi, où des gaz sont surchauffés pour créer un plasma confiné par des champs magnétiques dans une forme similaire à celle d’une pomme en forme de trognon. Le principal dispositif de fusion du laboratoire, le National Spherical Torus Experiment – Upgrade (NSTX-U), a une forme similaire à celle que les chercheurs ont envisagée lorsqu’ils ont testé leur approche.
« C’est la première fois que des chercheurs examinent comment le combustible polarisé en spin pourrait améliorer l’efficacité de la combustion du tritium », a ajouté Jacob Schwartz, chercheur en physique et coauteur de l’étude.
Minimiser les besoins en tritium en maximisant l’efficacité de la combustion
Ahmed Diallo, physicien principal au PPPL et coauteur de l’article, compare l’efficacité de la combustion du tritium à celle d’une cuisinière à gaz. « Lorsque le gaz sort d’une cuisinière, vous voulez brûler tout le gaz », explique M. Diallo. « Dans un dispositif de fusion, le tritium n’est généralement pas entièrement brûlé et il est difficile de s’en procurer. Nous voulions donc améliorer l’efficacité de la combustion du tritium. »
L’équipe du PPPL a consulté la communauté de la fusion et la communauté plus large impliquée dans la polarisation des spins dans le cadre de ses travaux visant à trouver des moyens d’améliorer l’efficacité de la combustion du tritium. « La fusion est l’un des domaines les plus multidisciplinaires de la science et de l’ingénierie. Elle nécessite des progrès sur de nombreux fronts, mais il arrive que l’on obtienne des résultats surprenants en combinant des recherches menées dans différentes disciplines », a déclaré M. Parisi.
Un spin différent
Le spin quantique est très différent du spin physique d’une balle de baseball. Par exemple, un bon lanceur peut lancer la balle avec plusieurs effets différents. Il existe un continuum de possibilités. En revanche, il n’existe que quelques options discrètes pour le spin quantique d’une particule – par exemple, vers le haut et vers le bas.
Lorsque deux atomes de combustible de fusion ont le même spin quantique, ils ont plus de chances de fusionner. « En amplifiant la section transversale de fusion, il est possible de produire plus d’énergie à partir de la même quantité de combustible », ajoute encore M. Parisi.
Alors que les méthodes de polarisation de spin existantes n’alignent pas tous les atomes, les gains démontrés dans le modèle PPPL ne nécessitent pas un alignement de spin à 100 %. En fait, l’étude démontre que des niveaux modestes de polarisation des spins peuvent améliorer considérablement l’efficacité de la combustion du tritium, améliorant ainsi l’efficacité globale et réduisant la consommation de tritium.
Améliorer l’efficacité pour réduire les besoins en tritium
Si l’on a besoin de moins de tritium, la taille globale de la centrale de fusion peut être réduite, ce qui facilite l’obtention d’une licence, l’installation et la construction. Globalement, cela devrait permettre de réduire les coûts d’exploitation du système de fusion.
Le tritium est également radioactif et, bien que ce rayonnement ait une durée de vie relativement courte par rapport au combustible usé des réacteurs à fission nucléaire, la réduction de la quantité nécessaire présente des avantages sur le plan de la sécurité, car elle diminue le risque de fuite ou de contamination par le tritium.
« Moins le tritium circule dans le système, moins il pénètre dans les composants », conclut M. Parisi. Les installations de stockage et de traitement du tritium peuvent également être beaucoup plus petites et plus efficaces. Cela facilite notamment l’octroi de licences nucléaires. « Les gens pensent que la taille des limites du site est en quelque sorte proportionnelle à la quantité de tritium. Donc, si vous pouvez avoir beaucoup moins de tritium, votre centrale pourrait être plus petite, plus rapide à faire approuver par les autorités de réglementation et moins chère ».
De nouvelles pistes à explorer
L’Office of Science du DOE a financé des recherches distinctes sur certaines des technologies nécessaires pour injecter le combustible polarisé en spin dans la cuve de fusion. D’autres travaux sont nécessaires pour étudier les éléments indispensables à la mise en œuvre du système proposé, mais qui n’ont pas encore été pleinement explorés. « Il reste à déterminer s’il est possible d’avoir des scénarios intégrés qui maintiennent un plasma de fusion de haute qualité avec ces flux spécifiques de combustible excédentaire et de cendres du plasma », a déclaré M. Schwartz.
Selon M. Diallo, les méthodes de polarisation posent également des problèmes potentiels, mais elles ouvrent des perspectives. « L’un des défis consisterait à démontrer des techniques permettant de produire du combustible polarisé en spin en grandes quantités et de les stocker. C’est un tout nouveau domaine technologique qui s’ouvrirait.
Légende illustration : Interprétation par un artiste d’atomes alignés sur le spin pendant le processus de fusion. (Crédit d’illustration : Kyle Palmer / Service de communication du PPPL)
Source : PPL – Traduction Enerzine.com
