Et la fusion ?

Les rapports de la fin de l'année dernière sur la construction d'un réacteur de synthèse par des spécialistes chinois semblaient sensationnels (1). Les médias d'État chinois ont rapporté que l'installation HL-2M, située dans un centre de recherche à Chengdu, sera opérationnelle en 2020. Le ton des reportages médiatiques indiquait que la question de l'accès à l'énergie inépuisable de la fusion thermonucléaire était définitivement résolue.

Un examen plus approfondi des détails aide à refroidir l'optimisme.

Nowy appareil de type tokamak, avec une conception plus avancée que celles connues jusqu'à présent, devrait générer du plasma avec des températures supérieures à 200 millions de degrés Celsius. Cela a été annoncé dans un communiqué de presse par le directeur de l'Institut de physique du sud-ouest de la China National Nuclear Corporation Duan Xiuru. L'appareil fournira un soutien technique aux Chinois travaillant sur le projet Réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER)ainsi que la construction.

Je pense donc que ce n'est pas encore une révolution énergétique, même si elle a été créée par les Chinois. réacteur KhL-2M jusqu'à présent peu est connu. Nous ne savons pas quelle est la puissance thermique prévue de ce réacteur ni quels niveaux d'énergie sont nécessaires pour y faire fonctionner une réaction de fusion nucléaire. Nous ne savons pas la chose la plus importante - est-ce que le réacteur à fusion chinois est une conception avec un bilan énergétique positif, ou est-ce juste un autre réacteur à fusion expérimental qui permet une réaction de fusion, mais en même temps nécessite plus d'énergie pour "l'allumage" que le l'énergie qui peut être obtenue à la suite de réactions.

Effort international

La Chine, ainsi que l'Union européenne, les États-Unis, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud et la Russie, sont membres du programme ITER. Il s'agit du plus cher des projets de recherche internationaux actuellement financés par les pays susmentionnés, coûtant environ 20 milliards de dollars américains. Il a été ouvert à la suite de la coopération entre les gouvernements de Mikhaïl Gorbatchev et de Ronald Reagan à l'époque de la guerre froide, et plusieurs années plus tard, il a été inclus dans un traité signé par tous ces pays en 2006.

2. Sur le chantier du tokamak ITER

Le projet ITER à Cadarache dans le sud de la France (2) développe le plus grand tokamak du monde, c'est-à-dire une chambre à plasma qu'il faut apprivoiser à l'aide d'un puissant champ magnétique généré par des électro-aimants. Cette invention a été développée par l'Union soviétique dans les années 50 et 60. Chef de projet, Lavan Coblence, a annoncé que l'organisation devrait recevoir le "premier plasma" d'ici décembre 2025. ITER devrait supporter une réaction thermonucléaire pour environ 1 XNUMX personnes à chaque fois. secondes, gagner en force 500 à 1100 MW. A titre de comparaison, le plus grand tokamak britannique à ce jour, JET (tore européen commun), conserve une réaction pendant plusieurs dizaines de secondes et gagne en force jusqu'à 16 MW. L'énergie de ce réacteur sera libérée sous forme de chaleur - elle n'est pas censée être convertie en électricité. Il est hors de question de fournir de l'énergie de fusion au réseau, car le projet est uniquement à des fins de recherche. Ce n'est que sur la base d'ITER que sera construite la future génération de réacteurs thermonucléaires, atteignant la puissance 3-4 mille. MW.

La principale raison pour laquelle les centrales à fusion normales n'existent toujours pas (malgré plus de soixante ans de recherches approfondies et coûteuses) est la difficulté de contrôler et de "gérer" le comportement du plasma. Cependant, des années d'expérimentation ont donné lieu à de nombreuses découvertes précieuses, et aujourd'hui l'énergie de fusion semble plus proche que jamais.

Ajouter l'hélium-3, remuer et chauffer

ITER est l'axe principal de la recherche mondiale sur la fusion, mais de nombreux centres de recherche, entreprises et laboratoires militaires travaillent également sur d'autres projets de fusion qui s'écartent de l'approche classique.

Par exemple, menée ces dernières années sur du Massachusetts Institute of Technology expériences avec Hélem-3 sur le tokamak a donné des résultats passionnants, notamment augmentation décuplé de l'énergie plasma ionique. Des scientifiques menant des expériences sur le tokamak C-Mod au Massachusetts Institute of Technology, en collaboration avec des spécialistes belges et britanniques, ont mis au point un nouveau type de combustible thermonucléaire contenant trois types d'ions. Équipe Alcator C-Mod (3) a mené une étude en septembre 2016, mais les données de ces expériences n'ont été analysées que récemment, révélant une énorme augmentation de l'énergie du plasma. Les résultats étaient si encourageants que les scientifiques qui dirigeaient le plus grand laboratoire de fusion en activité au monde, JET au Royaume-Uni, ont décidé de répéter les expériences. La même augmentation d'énergie a été obtenue. Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod en fonctionnement

La clé pour augmenter l'efficacité du combustible nucléaire était l'ajout de traces d'hélium-3, un isotope stable de l'hélium, avec un neutron au lieu de deux. Le combustible nucléaire utilisé dans la méthode Alcator C ne contenait auparavant que deux types d'ions, le deutérium et l'hydrogène. Le deutérium, un isotope stable de l'hydrogène avec un neutron dans son noyau (par opposition à l'hydrogène sans neutrons), représente environ 95 % du carburant. Les scientifiques du Plasma Research Center et du Massachusetts Institute of Technology (PSFC) ont utilisé un processus appelé Chauffage RF. Les antennes à côté du tokamak utilisent une fréquence radio spécifique pour exciter les particules, et les ondes sont calibrées pour "cibler" les ions hydrogène. Parce que l'hydrogène ne représente qu'une infime partie de la densité totale du carburant, la concentration d'une petite partie seulement des ions sur le chauffage permet d'atteindre des niveaux d'énergie extrêmes. De plus, les ions hydrogène stimulés passent aux ions deutérium prévalant dans le mélange, et les particules ainsi formées pénètrent dans l'enveloppe extérieure du réacteur, libérant de la chaleur.

L'efficacité de ce processus augmente lorsque des ions d'hélium-3 sont ajoutés au mélange en une quantité inférieure à 1 %. En concentrant tout le chauffage radioélectrique sur une petite quantité d'hélium-3, les scientifiques ont élevé l'énergie des ions à des mégaélectronvolts (MeV).

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Il y a eu de nombreux développements dans le monde des travaux de fusion contrôlée au cours des dernières années qui ont ravivé les espoirs des scientifiques et de nous tous d'atteindre enfin le "Saint Graal" de l'énergie.

Les bons signaux comprennent, entre autres, les découvertes du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE). Les ondes radio ont été utilisées avec beaucoup de succès pour réduire de manière significative les perturbations dites plasma, qui peuvent être cruciales dans le processus de "habillage" des réactions thermonucléaires. La même équipe de recherche a rapporté en mars 2019 une expérience de tokamak au lithium dans laquelle les parois internes du réacteur de test étaient recouvertes de lithium, un matériau bien connu des batteries couramment utilisées en électronique. Les scientifiques ont noté que le revêtement de lithium sur les parois du réacteur absorbe les particules de plasma dispersées, les empêchant d'être réfléchies vers le nuage de plasma et interférant avec les réactions thermonucléaires.

4. Visualisation du projet TAE Technologies

Des universitaires de grandes institutions scientifiques réputées sont même devenus des optimistes prudents dans leurs déclarations. Récemment, il y a également eu une énorme augmentation de l'intérêt pour les techniques de fusion contrôlée dans le secteur privé. En 2018, Lockheed Martin a annoncé un plan visant à développer un prototype de réacteur à fusion compact (CFR) au cours de la prochaine décennie. Si la technologie sur laquelle l'entreprise travaille fonctionne, un appareil de la taille d'un camion pourra fournir suffisamment d'électricité pour répondre aux besoins d'un appareil de 100 XNUMX pieds carrés. citadins.

D'autres entreprises et centres de recherche sont en compétition pour voir qui peut construire le premier véritable réacteur à fusion, notamment TAE Technologies et le Massachusetts Institute of Technology. Même Jeff Bezos d'Amazon et Bill Gates de Microsoft se sont récemment impliqués dans des projets de fusion. NBC News a récemment compté dix-sept petites entreprises de fusion uniquement aux États-Unis. Des startups comme General Fusion ou Commonwealth Fusion Systems se concentrent sur des réacteurs plus petits basés sur des supraconducteurs innovants.

Le concept de "fusion froide" et les alternatives aux grands réacteurs, non seulement les tokamaks, mais aussi les soi-disant. stellarateurs, avec un design légèrement différent, construit notamment en Allemagne. La recherche d'une approche différente se poursuit également. Un exemple de ceci est un appareil appelé pincement en Z, construit par des scientifiques de l'Université de Washington et décrit dans l'un des derniers numéros de la revue Physics World. Le Z-pinch fonctionne en piégeant et en comprimant le plasma dans un puissant champ magnétique. Dans l'expérience, il a été possible de stabiliser le plasma pendant 16 microsecondes, et la réaction de fusion s'est poursuivie pendant environ un tiers de ce temps. La démonstration était censée montrer que la synthèse à petite échelle est possible, bien que de nombreux scientifiques aient encore de sérieux doutes à ce sujet.

À son tour, grâce au soutien de Google et d'autres investisseurs dans les technologies de pointe, la société californienne TAE Technologies utilise un système différent de celui typique des expériences de fusion, mélange de carburant au bore, qui ont été utilisés pour développer des réacteurs plus petits et moins chers, initialement pour les besoins du soi-disant moteur-fusée à fusion. Un prototype de réacteur à fusion cylindrique (4) à contre-faisceaux (CBFR), qui chauffe l'hydrogène gazeux pour former deux anneaux de plasma. Ils se combinent avec des faisceaux de particules inertes et sont maintenus dans un tel état, ce qui devrait augmenter l'énergie et la durabilité du plasma.

Une autre startup de fusion, General Fusion, de la province canadienne de la Colombie-Britannique, bénéficie du soutien de Jeff Bezos lui-même. En termes simples, son concept consiste à injecter du plasma chaud dans une boule de métal liquide (un mélange de lithium et de plomb) à l'intérieur d'une boule d'acier, après quoi le plasma est comprimé par des pistons, comme dans un moteur diesel. La pression créée devrait conduire à la fusion, qui libérera une énorme quantité d'énergie pour alimenter les turbines d'un nouveau type de centrale électrique. Mike Delage, directeur de la technologie chez General Fusion, affirme que la fusion nucléaire commerciale pourrait faire ses débuts dans dix ans.

5. Illustration tirée d'un brevet thermonucléaire de l'US Navy.

Récemment, l'US Navy a également déposé un brevet pour un "dispositif de fusion plasma". Le brevet parle de champs magnétiques pour créer des « vibrations accélérées » (5). L'idée est de construire des réacteurs à fusion suffisamment petits pour être portables. Inutile de dire que cette demande de brevet a été accueillie avec scepticisme.