La start-up Fusion construit un aimant supraconducteur de 10 pieds de haut et 20 teslas | Ars Technica

Agrandir / L’aimant assemblé est descendu dans son appareil de test.

Systèmes de fusion du Commonwealth

En 2015, un groupe de physiciens du MIT a effectué des calculs pour repenser la façon dont nous abordons le problème de l’énergie de fusion. Les supraconducteurs non métalliques à haute température étaient enfin disponibles dans le commerce et pourraient permettre la génération de champs magnétiques plus forts, permettant un réacteur de fusion plus simple et plus compact. Mais les physiciens derrière le travail ne se sont pas arrêtés lorsque le calcul a été fait ; au lieu de cela, ils ont formé une société, Commonwealth Fusion Systems, et ont entrepris de mettre leurs calculs à l’épreuve.

Mardi, Commonwealth Fusion Systems a annoncé qu’elle avait franchi une étape clé dans sa quête pour mettre en service une usine de fusion de démonstration en 2025. La société a utilisé des supraconducteurs commerciaux à haute température pour construire un aimant de trois mètres de haut qui pourrait fonctionner de manière stable à 20 -Tesla force du champ magnétique. L’aimant est de conception identique à ceux qui contiendront le plasma au cœur du réacteur prévu de l’entreprise.

Feuille de route agressive

Se donner moins de 10 ans pour résoudre un problème avec lequel tout un domaine de recherche se débat depuis des décennies est ambitieux, mais cela reflète à quel point la fusion pourrait être pertinente dans la crise climatique à laquelle nous sommes confrontés. Plusieurs dirigeants de l’entreprise ont mentionné le changement climatique comme une source d’inspiration pour leur travail.

« La vision est simple : l’énergie de fusion peut-elle être [developed] à temps pour faire une différence dans le changement climatique ? », a déclaré Dennis Whyte du MIT. « C’est ce à quoi tous les membres de cette équipe se sont consacrés. La fusion est la source d’énergie dont le monde a besoin, et il a besoin [it] genre de rapide. Et nous sommes sur le point d’exploiter cela pour l’humanité. »

Attendre des décennies pour arriver à la fusion permettra à l’énergie renouvelable d’étendre son avantage de coût actuel par rapport à toutes les autres formes de production d’énergie. Et le temps donnera aux ingénieurs l’occasion d’apprendre à gérer les défis de l’intermittence de l’éolien et du solaire. Par conséquent, la fusion risque de ne plus avoir d’importance au moment où c’est un problème résolu.

C’est pourquoi d’ici 2025, Commonwealth Fusion Systems souhaite disposer d’un réacteur à l’équilibre, c’est-à-dire un système dans lequel les réactions de fusion libèrent autant d’énergie que nécessaire pour les démarrer. Cette étape sera suivie par ce que la société espère être une usine de fusion commercialement viable au début des années 2030. Ainsi, la fusion pourrait être disponible au moment où les pays seront confrontés au défi d’éliminer les 10 % restants des émissions de carbone de leurs réseaux électriques, ce qui est extrêmement difficile avec les énergies renouvelables intermittentes.

Publicité

La feuille de route a le potentiel de rendre la fusion pertinente, mais cette pertinence dépend du franchissement de jalons en cours de route, c’est là qu’intervient l’annonce de l’aimant.

Aimants : ils fonctionnent

L’aimant qui a été testé la semaine dernière mesurait environ 10 mètres de haut et la moitié de cette largeur. Il est alimenté par des bobines d’un matériau supraconducteur à haute température appelé ReBCO et fonctionne à environ 20 Kelvin. (En supraconductivité, 20 K compte comme une température élevée, car les matériaux supraconducteurs plus typiques doivent être à moins de 5 K.)

Mais le matériau magnétique n’est qu’une partie du défi technique. Il doit être maintenu en place par une structure capable de supporter à la fois des températures extrêmes et des forces extrêmes. Brian LaBombard, chercheur à Commonwealth Fusion Systems, a décrit le problème lors d’une conférence de presse mardi.

« Lorsque vous poussez les aimants à grande taille, vous devez considérer le champ magnétique comme une énergie essentiellement stockée », a déclaré LaBombard. « Lorsque vous augmentez ce champ magnétique, comme vous avez beaucoup d’énergie à l’intérieur du conteneur – qui est l’aimant – il veut pousser contre l’aimant. C’est essentiellement comme pressuriser un ballon, mais c’est la force du champ magnétique. « 

Faire monter l’ensemble de la structure jusqu’à 20 teslas implique un processus de deux semaines de refroidissement de la structure, puis d’augmentation progressive du courant circulant à l’intérieur du supraconducteur. Ce processus augmente l’intensité du champ magnétique, mais comme il utilise un supraconducteur, presque aucun de ce courant n’est perdu.

« Les performances de cet aimant sont similaires à celles d’un aimant non supraconducteur utilisé dans une expérience du MIT qui a conclu ses expériences il y a cinq ans », a déclaré Whyte du MIT. « La différence en termes de consommation d’énergie est assez étonnante. Cet aimant, parce qu’il s’agissait d’un aimant conducteur en cuivre normal, a consommé environ 200 millions de watts d’énergie pour produire le champ magnétique de confinement. Cet aimant était d’environ 30 watts, donc un facteur d’environ 10 millions de diminution de la quantité d’énergie nécessaire pour fournir le champ magnétique de confinement. »

Agrandir / Des galettes de fil supraconducteur sont utilisées pour rendre l’aimant modulaire.

Systèmes de fusion du Commonwealth

L’aimant des systèmes de fusion du Commonwealth est également confronté à des défis que les réacteurs de recherche ponctuels ne font pas. Il est conçu pour évoluer vers une production rapide, ce qui signifie une conception plus modulaire. Le matériel est composé d’une pile de bobines minces appelées « crêpes », chacune avec ses propres capteurs et matériel de contrôle. Il y a environ 270 kilomètres de matériau supraconducteur dans l’aimant, mais le matériau est réparti entre toutes ces galettes individuelles.

Publicité

Et après?

De toute évidence, la fusion nécessite bien plus qu’un aimant fonctionnel. Mais le PDG du Commonwealth, Bob Mumgaard, a déclaré que le succès de l’aimant donne à l’équipe une flexibilité ailleurs.

« Parce que nous avons pu atteindre un champ magnétique très élevé, nous avons soulagé de nombreuses contraintes qui poussent tous ces autres aspects à relever des défis techniques vraiment difficiles », a déclaré Mumgaard. « Nous avons vraiment poussé fort du côté des aimants afin de pouvoir obtenir un certain soulagement sur ces autres types de problèmes. »

Et l’achèvement de l’aimant a apporté d’autres avantages à l’entreprise. Joy Dunn, chef des opérations de la société, a déclaré : « Cela nous a permis de développer les processus et équipements de fabrication et la chaîne d’approvisionnement à une échelle pertinente pour la fusion commerciale. L’expertise et les processus impliqués dans la construction du premier échantillon d’essai seront appliqués pour développer des processus plus automatisés pour fabriquer les aimants qui iront dans les futurs réacteurs. Dunn a déclaré que les dernières crêpes n’avaient pris que 20% du temps nécessaire pour préparer les premiers échantillons.

L’assemblage du système représente un progrès impressionnant et signale que Commonwealth Fusion Systems est susceptible d’atteindre son jalon consistant à assembler un réacteur à fusion au cours des prochaines années. La grande question sera de savoir si ce réacteur atteindra le seuil de rentabilité de la fusion. Tous les calculs, qui s’appuient sur de nombreuses années d’expérience avec des conceptions similaires, indiquent que l’entreprise réussira.

Mais la plupart des projets de fusion ont connu des surprises et nécessitent une période d’apprentissage avant que les chercheurs n’obtiennent des performances optimales du matériel. Ainsi, même si ces calculs sont exacts, il faudra peut-être quelques années d’essais avant d’atteindre le seuil de rentabilité, ce qui pourrait pousser le premier réacteur commercial plus loin dans les années 2030.

Nous ne sommes peut-être pas encore au point où la fusion est dans une décennie, mais nous voyons au moins quelques rapports d’avancement d’un effort sérieux pour y parvenir. Et comme Mumgaard a résumé les choses, « C’est une histoire très, très prometteuse dans un cycle d’actualités par ailleurs accablant sur le climat. »

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *