Valider la physique derrière la nouvelle expérience de fusion conçue par le MIT
Sept études décrivent les progrès réalisés jusqu’à présent et les défis à venir pour une source d’énergie révolutionnaire à zéro émission.
Il y a deux ans et demi, le MIT a conclu un accord de recherche avec la jeune entreprise Commonwealth Fusion Systems pour développer une expérience de recherche sur la fusion de nouvelle génération, appelée SPARC, en tant que précurseur d’une centrale électrique pratique et sans émissions.
Aujourd’hui, après de nombreux mois de recherche et de travail d’ingénierie intensifs, les chercheurs chargés de définir et d’affiner la physique qui sous-tend la conception ambitieuse du tokamak ont publié une série d’articles résumant les progrès réalisés et exposant les principales questions de recherche que SPARC permettra de résoudre.
Dans l’ensemble, selon Martin Greenwald, directeur adjoint du centre de science et de fusion des plasmas du MIT et l’un des principaux scientifiques du projet, les travaux progressent sans heurts et sont sur la bonne voie. Cette série d’articles apporte un haut niveau de confiance dans la physique des plasmas et les prévisions de performances de SPARC, dit-il. Aucun obstacle imprévu ou surprise ne s’est présenté, et les défis restants semblent être gérables. Selon M. Greenwald, cela constitue une base solide pour le fonctionnement de l’appareil une fois qu’il sera construit.
Greenwald a rédigé l’introduction d’un ensemble de sept articles de recherche rédigés par 47 chercheurs de 12 institutions et publiés aujourd’hui dans un numéro spécial du Journal of Plasma Physics. Ensemble, les articles décrivent les bases théoriques et empiriques de la physique pour le nouveau système de fusion, que le consortium prévoit de commencer à construire l’année prochaine.
SPARC devrait être le premier dispositif expérimental à obtenir un « plasma en combustion », c’est-à-dire une réaction de fusion auto-entretenue dans laquelle différents isotopes de l’élément hydrogène fusionnent pour former de l’hélium, sans qu’il soit nécessaire d’apporter de l’énergie supplémentaire. L’étude du comportement de ce plasma en combustion – une chose jamais vue auparavant sur Terre de manière contrôlée – est considérée comme une information cruciale pour le développement de la prochaine étape, un prototype fonctionnel d’une centrale électrique pratique.
Ces centrales à fusion pourraient réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre du secteur de la production d’électricité, l’une des principales sources de ces émissions au niveau mondial. Le projet MIT et CFS est l’un des plus grands projets de recherche et développement à financement privé jamais entrepris dans le domaine de la fusion.
« Le groupe du MIT poursuit une approche très convaincante de l’énergie de fusion », déclare Chris Hegna, professeur d’ingénierie physique à l’université du Wisconsin à Madison, qui n’était pas lié à ces travaux. « Ils ont réalisé que l’émergence de la technologie supraconductrice à haute température permet une approche du champ magnétique élevé pour produire un gain d’énergie net à partir d’un système de confinement magnétique. Ces travaux sont susceptibles de changer la donne pour le programme international de fusion. »
La conception de SPARC, bien qu’environ deux fois plus grande que l’expérience Alcator C-Mod du MIT, aujourd’hui à la retraite, et similaire à plusieurs autres machines de recherche sur la fusion actuellement en service, serait beaucoup plus puissante, permettant d’atteindre des performances de fusion comparables à celles attendues dans le tokamak ITER beaucoup plus grand construit en France par un consortium international. La puissance élevée dans une petite taille est rendue possible par les progrès des aimants supraconducteurs qui permettent d’obtenir un champ magnétique beaucoup plus puissant pour confiner le plasma chaud.
Le projet SPARC a été lancé au début de 2018 et les travaux sur sa première étape, le développement des aimants supraconducteurs qui permettraient de construire des systèmes de fusion plus petits, ont progressé rapidement. C’est la première fois que les bases physiques sous-jacentes de la machine SPARC sont décrites en détail dans des publications évaluées par des pairs. Les sept articles explorent les domaines spécifiques de la physique qui ont dû être affinés et qui nécessitent encore des recherches en cours pour définir les éléments finaux de la conception de la machine ainsi que les procédures d’exploitation et les tests qui seront nécessaires au fur et à mesure de l’avancement des travaux de construction de la centrale électrique.
Les articles décrivent également l’utilisation de calculs et d’outils de simulation pour la conception de SPARC, qui ont été testés dans le cadre de nombreuses expériences dans le monde entier. Les auteurs ont utilisé des simulations de pointe, exécutées sur de puissants supercalculateurs, qui ont été développées pour aider à la conception d’ITER. L’importante équipe multi-institutionnelle de chercheurs représentée dans la nouvelle série de documents visait à apporter les meilleurs outils de consensus à la conception de la machine SPARC afin d’accroître la confiance dans la réalisation de sa mission.
L’analyse effectuée jusqu’à présent montre que la production d’énergie de fusion prévue du tokamak SPARC devrait pouvoir répondre aux spécifications de conception avec une marge confortable. Il est conçu pour atteindre un facteur Q – un paramètre clé indiquant l’efficacité d’un plasma de fusion – d’au moins 2, ce qui signifie essentiellement que deux fois plus d’énergie de fusion est produite que la quantité d’énergie pompée pour générer la réaction. Ce serait la première fois qu’un plasma de fusion, quel que soit son type, produirait plus d’énergie qu’il n’en consomme.
Les calculs effectués à ce stade montrent que SPARC pourrait en fait atteindre un rapport Q de 10 ou plus, selon les nouveaux articles. Bien que Greenwald prévienne que l’équipe veut faire attention à ne pas faire de promesses excessives, et qu’il reste beaucoup de travail à faire, les résultats obtenus jusqu’à présent indiquent que le projet atteindra au moins ses objectifs, et plus précisément son objectif principal qui est de produire un plasma en combustion, dans lequel l’auto-échauffement domine le bilan énergétique.
Les limites imposées par la pandémie de Covid-19 ont un peu ralenti les progrès, mais pas beaucoup, dit-il, et les chercheurs sont de retour dans les laboratoires selon de nouvelles directives de fonctionnement.
Dans l’ensemble, « nous visons toujours un début de construction vers le mois de juin », déclare M. Greenwald. « L’effort de physique est bien intégré à la conception technique. Ce que nous essayons de faire, c’est d’asseoir le projet sur les bases physiques les plus solides possibles, afin que nous soyons confiants quant à ses performances, puis de fournir des conseils et de répondre aux questions pour la conception technique au fur et à mesure de son déroulement. »
De nombreux détails sont encore en cours d’élaboration pour la conception de la machine, notamment les meilleurs moyens d’alimenter l’appareil en énergie et en carburant, de le mettre hors tension, de gérer les éventuels transitoires thermiques ou de puissance soudains, et de déterminer comment et où mesurer les paramètres clés afin de contrôler le fonctionnement de la machine.
Jusqu’à présent, seules des modifications mineures ont été apportées à la conception générale. Le diamètre du tokamak a été augmenté d’environ 12 %, mais peu d’autres choses ont changé, explique M. Greenwald. « Il y a toujours la question d’un peu plus de ceci, un peu moins de cela, et il y a beaucoup de choses qui entrent en ligne de compte, des problèmes d’ingénierie, des contraintes mécaniques, des contraintes thermiques, et il y a aussi la physique – comment affecter les performances de la machine ? »
La publication de ce numéro spécial de la revue, dit-il, « représente un résumé, un instantané des bases de la physique telle qu’elle se présente aujourd’hui ». Bien que les membres de l’équipe en aient discuté de nombreux aspects lors de réunions sur la physique, « c’est notre première occasion de raconter notre histoire, de la faire examiner, d’obtenir le cachet d’approbation et de la diffuser dans la communauté ».
Selon M. Greenwald, il reste encore beaucoup à apprendre sur la physique des plasmas en combustion, et une fois que cette machine sera opérationnelle, on pourra obtenir des informations clés qui ouvriront la voie à des dispositifs de fusion commerciaux et producteurs d’énergie, dont le combustible – les isotopes d’hydrogène deutérium et tritium – pourra être mis à disposition en quantités pratiquement illimitées.
Les détails du plasma en combustion « sont vraiment nouveaux et importants », dit-il. « La grande montagne que nous devons franchir est de comprendre cet état d’auto-échauffement d’un plasma. »
« L’analyse présentée dans ces articles donnera à la communauté mondiale de la fusion l’occasion de mieux comprendre les bases physiques du dispositif SPARC et de mesurer par elle-même les défis qui restent à résoudre », déclare George Tynan, professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale à l’université de Californie à San Diego, qui n’était pas lié à ces travaux. « Leur publication marque une étape importante sur la voie de l’étude des plasmas brûlants et la première démonstration de la production nette d’énergie à partir de la fusion contrôlée, et j’applaudis les auteurs pour avoir mis ce travail à la disposition de tous. »
Dans l’ensemble, dit M. Greenwald, les travaux qui ont servi à l’analyse présentée dans cet ensemble de documents « aident à valider notre confiance dans la réalisation de la mission. Nous n’avons jamais rien vu qui nous fasse dire : “Oh, c’est prédire que nous n’arriverons pas là où nous voulons” ». En bref, dit-il, « une des conclusions est que les choses sont toujours sur la bonne voie. Nous pensons que ça va marcher ».
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Source : MIT News – Traduit par Anguille sous roche
