Depuis 20 ans, le Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT expérimente la fusion nucléaire à travers le plus petit dispositif de fusion nucléaire de type tokamak (en forme de beignet) au monde – l’Alcator C-Mod.
Le but ? Pour produire le plus petit réacteur de fusion du monde that celui qui écrase une réaction de fusion en forme de beignet dans un rayon de 3,3 mètres three dont trois pourraient alimenter une ville de la taille de Boston.
Les chercheurs du MIT et du MIT se rapprochent de leur objectif, malgré une récente réduction du financement fédéral qui pourrait ralentir leurs progrès.
Les leçons déjà tirées du plus petit appareil de fusion Alcator C-Mod du MIT ont permis à des chercheurs, dont le candidat au doctorat du MIT Brandon Sorbom et le directeur du PSFC Dennis Whyte, de développer le réacteur conceptuel ARC (abordable, robuste et compact).
« Nous voulions produire quelque chose qui puisse produire de l’énergie, mais qui soit aussi petit que possible », a déclaré Sorbom.
Un réacteur à fusion à ARC en fonctionnement utiliserait 50 mégawatts (MW) de puissance pour produire 500 MW de puissance de fusion, dont 200 MW pourraient être livrés au réseau. C’est assez pour fournir de l’électricité à 200 000 personnes.
Un coup d’œil à l’intérieur du C-Mod du MIT, dont le rayon n’est que de 0,68 mètre — le plus petit réacteur de fusion avec le champ magnétique le plus puissant au monde.
Bien que trois autres dispositifs de fusion à peu près de la même taille que l’ARC aient été construits au cours des 35 dernières années, ils n’ont produit aucune puissance proche de sa puissance. Ce qui distingue le réacteur du MIT, c’est sa technologie supraconductrice, qui lui permettrait de créer 50 fois la puissance qu’il consomme réellement. (Le PSFC du MIT a publié l’année dernière un article sur le prototype de réacteur à ARC dans la revue à comité de lecture ScienceDirect.)
Les aimants puissants du réacteur à ARC sont modulaires, ce qui signifie qu’ils peuvent être facilement retirés et que la cuve à vide centrale dans laquelle se produit la réaction de fusion peut être remplacée rapidement; en plus de permettre des mises à niveau, une cuve amovible signifie qu’un seul dispositif pourrait être utilisé pour tester de nombreuses conceptions de cuve à vide.
Les réacteurs de fusion fonctionnent en surchauffant l’hydrogène gazeux dans le vide, la fusion des atomes d’hydrogène forme de l’hélium. Tout comme pour la division des atomes dans les réacteurs nucléaires à fission d’aujourd’hui, la fusion libère de l’énergie. Le défi de la fusion a été de confiner le plasma (gaz chargé électriquement) tout en le chauffant avec des micro-ondes à des températures plus chaudes que le Soleil.
Énergie durable
Le résultat de la construction réussie d’un réacteur à ARC serait une source abondante d’énergie propre et fiable, car le combustible nécessaire – les isotopes de l’hydrogène – est disponible en quantité illimitée sur Terre.
» Ce que nous avons fait, c’est établir la base scientifique…pour, en fait, montrer qu’il existe une voie viable dans la science du confinement de ce plasma pour produire de l’énergie de fusion nette eventually à terme « , a déclaré Whyte.
La recherche sur la fusion est aujourd’hui au seuil de l’exploration du « plasma brûlant », par lequel la chaleur de la réaction de fusion est confinée dans le plasma de manière suffisamment efficace pour que la réaction soit maintenue pendant de longues périodes.
Un regard sur l’extérieur du dispositif de fusion nucléaire C-Mod du MIT. Le projet C-Mod a ouvert la voie à un réacteur à ARC conceptuel.
Normalement, un gaz tel que l’hydrogène est composé de molécules neutres rebondissant autour. Cependant, lorsque vous surchauffez un gaz, les électrons se séparent des noyaux, créant une soupe de particules chargées qui s’agitent à grande vitesse. Un champ magnétique peut alors presser ces particules chargées dans une forme condensée, les forçant à fusionner ensemble.
L’énigme de la puissance de fusion qui dure depuis 40 ans est que personne n’a été en mesure de créer un réacteur de fusion qui consomme plus d’énergie que nécessaire pour le faire fonctionner. En d’autres termes, il faut plus de puissance pour maintenir le plasma chaud et générer de la puissance de fusion que la puissance de fusion qu’il produit.
Le réacteur tokamak en fonctionnement en Europe, le JET, détient le record mondial de création d’énergie; il génère 16 MW de puissance de fusion mais nécessite 24 MW d’électricité pour fonctionner.
Les chercheurs du MIT, cependant, pensent qu’ils ont la réponse au problème de l’énergie nette et qu’elle sera disponible dans un paquet relativement petit par rapport aux centrales à fission nucléaires d’aujourd’hui. En rendant le réacteur plus petit, cela le rend également moins coûteux à construire. De plus, l’ARC serait modulaire, ce qui permettrait de retirer ses nombreuses pièces pour des réparations sur des mises à niveau, ce qui n’avait pas été réalisé auparavant.
Ce qui distingue le dispositif de fusion du MIT
Ce que le MIT seul a fait, c’est de créer le champ de confinement magnétique le plus puissant au monde pour un réacteur de sa taille. Plus le champ magnétique est élevé, plus la réaction de fusion est grande et plus la puissance produite est grande.
« Nous sommes très confiants que nous serons en mesure de montrer que ce médium peut produire plus de puissance de fusion qu’il n’en faut pour le garder chaud », a déclaré Whyte.
Une vue en coupe du réacteur à ARC proposé. Grâce à une nouvelle technologie d’aimants puissante, le réacteur à ARC beaucoup plus petit et moins coûteux fournirait la même puissance qu’un réacteur beaucoup plus grand.
Les réacteurs à fusion présenteraient plusieurs avantages par rapport aux réacteurs nucléaires à fission actuels. D’une part, les réacteurs à fusion produiraient peu de déchets radioactifs. Les réacteurs de fusion produisent ce qu’on appelle des « produits d’activation » avec les neutrons de fusion.
La petite quantité d’isotopes radioactifs produits est de courte durée, avec une demi-vie qui dure des dizaines d’années contre des milliers d’années à partir des déchets de fission, a déclaré Sorbom.
Les réacteurs utiliseraient également moins d’énergie pour fonctionner que les réacteurs à fission.
Alors que l’Alcator C-Mod actuel du MIT ne produit pas d’électricité, il démontre les effets d’un champ de confinement magnétique sur un plasma surchauffé, et par chaud, nous parlons de 100 millions de degrés Fahrenheit. En comparaison, notre soleil est un froid de 27 millions de degrés Fahrenheit.
Loin d’être dangereux, le plasma à 100 millions de degrés se refroidit instantanément et reprend un état gazeux lorsqu’il touche les parois internes du réacteur. C’est pourquoi un puissant champ de confinement magnétique est nécessaire.
Tout comme un réacteur nucléaire à fission, un réacteur à fusion serait essentiellement une machine à vapeur. La chaleur de la réaction de fusion contrôlée est utilisée pour faire tourner une turbine à vapeur qui, à son tour, entraîne des générateurs électriques.
Le dispositif de fusion C-Mod actuel du MIT utilise beaucoup de deutérium comme combustible plasma. Le deutérium est un isotope de l’hydrogène qui n’est pas radioactif et qui peut être extrait de l’eau de mer.
Pour créer un réacteur à ARC conceptuel, cependant, un deuxième isotope de l’hydrogène est nécessaire: le tritium. En effet, la vitesse à laquelle les isotopes deutérium-deutérium fusionnent est environ 200 fois inférieure à la vitesse à laquelle les isotopes deutérium-tritium fusionnent.
Le tritium, bien que radioactif, n’a qu’une demi-vie d’environ 10 ans. Bien que le tritium ne se produise pas naturellement, il peut être créé en bombardant le lithium avec des neutrons. En conséquence, il peut être facilement produit comme source de carburant durable.
Avec les réacteurs à fusion, plus petit c’est mieux
Alors que le réacteur du MIT pourrait ne pas s’insérer facilement dans la poitrine de Tony Stark (c’est un film après tout), ce serait le plus petit réacteur à fusion avec la chambre de confinement magnétique la plus puissante sur terre. Il produirait la puissance de huit Teslas ou environ deux appareils IRM.
À titre de comparaison, dans le sud de la France, sept nations (dont les États-Unis.) ont collaboré à la construction du plus grand réacteur de fusion au monde, le Tokamak International Thermonuclear Experimental Reactor ( Tok). La chambre de fusion I a un rayon de fusion de 6,5 mètres et ses aimants supraconducteurs produiraient 11,8 Teslas de force.
Cependant, le réacteurTER mesure environ deux fois la taille de l’ARC et pèse 3 400 tonnes, soit 16 fois plus lourd que n’importe quelle cuve de fusion précédemment fabriquée. Le réacteur en forme de D mesurera entre 11 et 17 mètres et aura un rayon de plasma de tokamak de 6,2 mètres, soit presque le double du rayon de 3,3 mètres de l’ARC.
Le concept du projet I a débuté en 1985 et la construction a débuté en 2013. Son prix est estimé entre 14 et 20 milliards de dollars. Whyte, cependant, pense qu’TER finira par coûter beaucoup plus cher, de 40 à 50 milliards de dollars, sur la base du « fait que la contribution américaine »est de 4 à 5 milliards de dollars » et que nous sommes des partenaires à 9%. »
En outre, le calendrier d’achèvement d’ I est 2020, avec des expériences complètes de fusion deutérium-tritium à partir de 2027.
Une fois achevé, I devrait être le premier réacteur à fusion à générer de la puissance nette, mais cette puissance ne produira pas d’électricité; elle préparera simplement la voie à un réacteur capable de le faire.
Le réacteur ARC du MIT devrait coûter de 4 à 5 milliards de dollars et pourrait être achevé dans quatre à cinq ans, a déclaré Sorbom.
La raison pour laquelle ARC pourrait être achevé plus tôt et à un dixième du coût d’TER est due à sa taille et à l’utilisation des nouveaux supraconducteurs à champ élevé qui fonctionnent à des températures plus élevées que les supraconducteurs classiques.
Typiquement, les réacteurs à fusion utilisent des super conducteurs à basse température comme bobines magnétiques. Les bobines doivent être refroidies à environ 4 degrés Kelvin, ou moins 452 degrés Fahrenheit, pour fonctionner. Le dispositif de fusion tokamak du MIT utilise une bande supraconductrice en oxyde de cuivre baryum (REBCO) de terres rares à haute température pour ses bobines magnétiques, ce qui est beaucoup moins coûteux et efficace. Bien sûr, la « température élevée » est relative: les bobines REBCO fonctionnent à 100 degrés Kelvin, soit environ moins 280 degrés Fahrenheit, mais c’est assez chaud pour utiliser de l’azote liquide abondant comme agent de refroidissement.
Dans sa main gauche, Brandon Sorbom tient un ruban supraconducteur en oxyde de cuivre de baryum de terres rares (REBCO) utilisé dans les bobines magnétiques du réacteur de fusion. Dans sa main droite se trouve un câble électrique en cuivre typique. L’utilisation du nouveau ruban super conducteur réduit les coûts et permet au MIT d’utiliser de l’azote liquide abondant comme agent de refroidissement.
« La technologie permettant de réduire la taille du dispositif de fusion est cette nouvelle technologie supraconductrice », a déclaré Sorbom. « Alors que les supraconducteurs existent depuis la fin des années 1980 dans les laboratoires, au cours des cinq dernières années, des entreprises ont commercialisé ce genre de choses en bandes pour des projets à grande échelle comme celui-ci. »
En plus de sa taille et de son coût, le ruban REBCO est également capable d’augmenter la puissance de fusion de 10 fois par rapport à la technologie supraconductrice standard.
Avant que l’ARC du MIT puisse être construit, les chercheurs doivent d’abord prouver qu’ils peuvent soutenir une réaction de fusion. Actuellement, le réacteur C-Mod du MIT ne fonctionne que quelques secondes à chaque fois qu’il est allumé. En fait, il nécessite tellement d’énergie que le MIT doit utiliser un transformateur tampon pour stocker suffisamment d’électricité pour le faire fonctionner sans griller la ville de Cambridge. Et, avec un rayon de plasma de seulement 0,68 mètre, le C-Mod est beaucoup plus petit que même le réacteur à ARC.
Donc, avant de construire le réacteur à ARC, le prochain dispositif de fusion du MIT – l’expérience Advanced Divertor and RF tokamak (ADX) – testera divers moyens pour gérer efficacement les températures semblables au Soleil sans dégrader les performances du plasma.
Après avoir atteint une performance durable, l’ARC déterminera si la production nette d’électricité est possible. Le dernier obstacle avant que les réacteurs à fusion puissent alimenter le réseau est le transfert de la chaleur vers un générateur.
Les Fédéraux réduisent le financement
Le réacteur tokamak C-Mod du MIT est l’une des trois principales installations de recherche sur la fusion aux États-Unis, avec le DIII-D de General Atomics et le National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton.
Un chercheur travaille à l’intérieur du Wendelstein 7-X (W7-X), un réacteur de fusion nucléaire expérimental construit à Greifswald, en Allemagne, par le Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). Le réacteur, achevé en octobre 2015, est le plus grand à ce jour.
Jetant une clé dans ses efforts, le MIT a appris plus tôt cette année que le financement de son réacteur de fusion sous le ministère de l’Énergie (DOE) touchait à sa fin. La décision de fermer Alcator C-Mod a été motivée par des contraintes budgétaires, selon Edmund Synakowski, directeur associé de la science pour les Sciences de l’énergie de fusion (FES) au DOE.
Dans le budget actuel, le Congrès a fourni 18 millions de dollars pour le C-Mod du MIT, qui soutiendra au moins cinq semaines d’opérations au cours de sa dernière année et couvrira les coûts associés à la fermeture de l’installation, a déclaré Synakowski dans une réponse par courrier électronique à Computerworld. (Les chercheurs espèrent trouver d’autres sources de financement pour compenser la perte.)
Le PSFC a environ 50 Ph.D étudiants travaillant au développement de l’énergie de fusion. Les anciens étudiants ont quitté le MIT pour créer leurs propres entreprises ou pour développer des projets académiques en dehors du MIT.
S’assurer que les scientifiques et les étudiants du MIT puissent faire la transition vers des collaborations dans d’autres installations de recherche sur l’énergie de fusion financées par le DOE aux États-Unis – en particulier les deux installations principales: DIII-D à General Atomics à San Diego et NSTX-U au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton – a été « l’une des principales préoccupations », a déclaré Synakowski.
Au cours du dernier exercice, FES a travaillé avec le MIT pour établir un nouvel accord de coopération de cinq ans, à compter de septembre. le 1er janvier 2015, pour permettre à ses scientifiques de passer à des collaborations financées par la FES.
Whyte, cependant, estime que la promesse de l’énergie de fusion est trop importante pour que la recherche se termine.
« La fusion est trop importante pour n’avoir qu’une seule voie d’accès », a déclaré Whyte. » Ma devise est plus petite et plus tôt. Si nous le pouvons, la technologie qui nous permet d’accéder à des appareils plus petits et d’en construire une variété…, alors cela nous permet d’arriver à un endroit où nous avons plus d’options sur la table pour développer la fusion sur une échelle de temps plus rapide. »
Et, a déclaré Whyte, la base scientifique des petits réacteurs à fusion a été établie au MIT.
« Nous l’avons fait malgré le fait que nous avons la plus petite des expériences majeures au monde. Nous avons en fait le record pour atteindre la pression de ce plasma. La pression est l’une des barres fondamentales que vous devez surmonter « , a déclaré Whyte. « Nous sommes très excités à ce sujet. »