Vaisseaux de Fusion Sphériques et Mayonnaise – Réimaginer Nos Besoins Énergétiques Futurs

L’énergie de fusion est aussi ancienne que notre système cosmique. Elle alimente le soleil et les étoiles. Cependant, son application sur notre planète reste expérimentale.

Selon un rapport de mi-juillet, les investissements dans le domaine ont augmenté de plus de 900 millions de dollars cette année pour atteindre environ 7,1 milliards de dollars. Cependant, les experts estiment que la croissance des investissements n’est pas encore suffisante. Elle est inférieure à la hausse de 1,4 milliard de dollars réalisée l’année dernière et de 2,8 milliards de dollars en 2022.

Selon Andrew Holland, le directeur de la Fusion Industry Association:

La croissance observée au cours des 12 derniers mois est positive, mais ne sera pas suffisante pour atteindre les objectifs ambitieux de la fusion.

Comme dans tout autre secteur, la croissance ne peut être obtenue que par l’innovation. Aujourd’hui, nous explorerons une telle innovation efficace et cruciale — visant à éliminer le besoin d’un solénoïde de chauffage ohmique — qui pourrait être le facteur de conception le plus impactant pour réaliser des systèmes de réacteurs tokamak de fusion économiques et compacts.

Mais avant d’approfondir la recherche et ses ramifications, nous devons avoir un bref aperçu du fonctionnement de la science de l’énergie de fusion et du rôle que jouent les systèmes tokamak.

La Science de l’Énergie de Fusion et des Systèmes Tokamak

C’est un domaine scientifique multidisciplinaire qui vise à développer une source d’énergie basée sur la fusion contrôlée. Le principe de base de la fusion consiste à combiner deux noyaux pour former un noyau.

À un niveau plus pratique, la fusion sur Terre implique la création de conditions qui entraînent la génération de plasmas soutenus, qui sont des gaz si chauds que les électrons se libèrent des noyaux atomiques. Les chercheurs utilisent des champs électriques et magnétiques pour contrôler l’ensemble d’ions et d’électrons résultant, car ils portent des charges électriques. Ce mécanisme est à l’origine du nom de fusion contrôlée.

Les systèmes tokamak aident à confiner le plasma à l’aide de champs magnétiques en forme de beignet appelée tore. Au fil des ans, les tokamaks sont devenus le concept de confinement du plasma dominant pour les centrales de fusion du futur. La recherche que nous aborderons dans le segment suivant porte sur l’optimisation de l’espace du tokamak.

Vaisseaux de Fusion Compacts et Sphériques : Un Tokamak Plus Petit comme Option de Fusion Plus Économique

Une équipe élargie de chercheurs a mené cette recherche, incluant des scientifiques du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE), du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), de l’entreprise privée Tokamak Energy, et de l’Université de Kyushu au Japon. Leur proposition est simple en termes d’idée: une installation pilote de fusion compacte et sphérique qui chauffe le plasma en n’utilisant que des micro-ondes.

L’utilisation de micro-ondes éliminerait le besoin d’une bobine massive en cuivre appelée solénoïde située près du centre du vaisseau pour chauffer le plasma.

En détaillant l’utilité de la suppression de cette approche de chauffage ohmique conventionnelle, Mayasuki Ono, physicien principal de recherche au PPPL et auteur principal de l’article, a déclaré:

Un plasma tokamak compact et sphérique ressemble à une pomme à cœur avec un noyau relativement petit, de sorte qu’il n’y a pas d’espace pour une bobine de chauffage ohmique. Si nous n’avons pas à inclure une bobine de chauffage ohmique, nous pouvons probablement concevoir une machine plus facile et moins chère à construire.

Pour atteindre son objectif, l’expérience exploite une technologie appelée ECCD, qui signifie Electron Cyclotron Current Drive, capable de générer simultanément un courant et de chauffer le plasma. Les chercheurs ont également développé un code informatique appelé TORAY, qui, combiné à un autre nommé TRANSP, peut balayer les angles d’orientation du faisceau afin de déterminer la meilleure efficacité et de minimiser la puissance requise pour générer le courant nécessaire.

Les chercheurs ont également identifié le mode d’ECCD qui fonctionnerait le mieux pour chaque phase du processus de chauffage. Les choix probables impliquent deux modes:

• Mode O ou mode ordinaire
• Mode X ou mode extraordinaire

Ces deux modes sont utiles et contribuent au fonctionnement global du système. Le mode X fonctionne le mieux lorsqu’il faut augmenter la température et le courant du plasma. Le mode O est l’option la plus adaptée pour maintenir la température et le courant du plasma après la montée en puissance.

En résumant les options de chauffage alternatives, Ono a déclaré:

Le mode O est bon pour un plasma à haute température et haute densité. Mais nous avons constaté que l’efficacité du mode O devient très faible à des températures plus basses, il faut donc autre chose pour prendre en charge le régime à basse température.

Les chercheurs ont également souligné l’importance de garder le plasma exempt d’impuretés. Des champs magnétiques forts confinent largement le plasma à l’intérieur d’un tokamak dans une forme particulière, mais parfois le plasma peut s’approcher des parois intérieures du tokamak, permettant aux atomes des parois d’être éjectés et d’entrer dans le plasma.

Bien que les propositions de recherche soient encore expérimentales, nous pouvons déjà voir l’implication d’entités commerciales qui peuvent faire avancer cette solution, l’agrandir et rendre l’application de l’énergie de fusion plus optimisée et écoénergétique. Dans le segment suivant, nous discutons de Tokamak, l’entreprise déjà impliquée dans le processus.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak a été à l’avant-garde du développement de la technologie requise pour livrer avec succès l’énergie de fusion dans les années 2030. Sa vision est de rendre l’énergie de fusion propre, sécurisée, abordable et facilement disponible.

Jusqu’à présent, l’entreprise a déposé 77 familles de demandes de brevet et a levé au total 250 millions de dollars US. Sur ces 250 millions de dollars US, 200 millions proviennent d’investisseurs privés, le reste provenant des gouvernements du Royaume-Uni et des États-Unis.

Au cours de son existence opérationnelle, l’entreprise a ajouté de nombreux atouts à son palmarès. Par exemple, en 2022, l’entreprise est devenue la première société de fusion privée à atteindre une température d’ions de plasma de 100 millions de degrés Celsius dans un tokamak, le seuil pour la fusion à l’échelle commerciale.

La même année, l’entreprise a également été reconnue pour le plus haut « triple produit » de plasma parmi toutes les sociétés de fusion privées, une mesure clé de la température du plasma et du temps de confinement.

Nous avons déjà abordé le tokamak sphérique, qui est l’une des voies les mieux étudiées et les plus largement reconnues vers l’énergie de fusion. Ses avantages incluent l’efficacité opérationnelle, la stabilité du plasma et le rapport coût-efficacité.

Le tokamak sphérique compact à champ élevé ST40 de Tokamak est l’un des plus avancés dans ce domaine. Grâce à cela, Tokamak a atteint une température d’ions de plasma de 100 millions de degrés Celsius, soit six fois plus chaud que le centre du Soleil.

Tokamak construit également un système magnétique Demo4 dans une installation de test spécialement conçue. Le système comprend 44 bobines HTS individuelles assemblées en 14 bras de champ toroïdal et deux bobines de champ poloidal dans une structure en forme de cage. Il peut fonctionner sous vide à 20 kelvins (-250 °C) avec une intensité de champ magnétique presque un million de fois plus forte que le champ magnétique terrestre.

#2. Helion

Une autre entreprise qui réalise un travail révolutionnaire dans ce domaine est Helion. L’entreprise affirme avoir construit la première centrale de fusion au monde. Le générateur de fusion d’Helion est également capable d’élever le combustible de fusion à plus de 100 millions de degrés Celsius. De plus, il peut extraire de l’électricité avec une approche pulsée à haute efficacité.

Sur le plan technologique, la solution d’Helion exploite la technologie de fusion magnéto-inertielle. La technologie d’Helion possède trois caractéristiques remarquables qui la distinguent des autres approches disponibles dans ce domaine. Pour permettre l’ajustement de la puissance de sortie en fonction des besoins, l’entreprise utilise un système de fusion pulsé, non-ignition.

De la même manière qu’un système de freinage régénératif fonctionne dans une voiture électrique, le système Helion peut récupérer directement l’électricité. Cela rend le système Helion beaucoup plus efficace sur le plan énergétique, car les autres systèmes de fusion disponibles chauffent de l’eau pour créer de la vapeur qui entraîne la turbine, perdant ainsi beaucoup d’énergie dans le processus.

Helion utilise le deutérium et l’hélium‑3 (D‑³He) comme combustible. La fusion de ces deux éléments produit des particules chargées qui peuvent être directement récupérées sous forme d’électricité, maintenant le système petit, efficace, rapide et rentable. L’utilisation du deutérium et de l’hélium‑3 (D‑³He) comme combustible aide à réduire les émissions de neutrons et diminue considérablement les défis d’ingénierie liés à l’utilisation du combustible de fusion deutérium‑tritium.

Il est important de noter que l’entreprise estime que son énergie de fusion pourrait devenir l’une des sources d’électricité les moins coûteuses, produisant idéalement de l’électricité à un tarif de 0,01 $ US par kWh.

Selon les dernières informations disponibles, l’entreprise, fondée en 2008, pourrait lever 500 millions de dollars US d’ici la fin de 2021, atteignant une valorisation de 1,25 milliard de dollars. Cette dernière levée a été dirigée par Sam Altman, PDG d’OpenAI, qui a personnellement investi 375 millions de dollars, soulignant la forte conviction dans le potentiel d’Helion à révolutionner la production d’énergie grâce à la technologie de fusion. Le financement total s’élève désormais à 577 millions de dollars, qui seront destinés à achever le septième prototype d’Helion, Polaris, et à se rapprocher de la commercialisation de l’énergie de fusion d’ici 2024.

Les travaux technologiques avancés d’entreprises comme Tokamak et Helion aident le domaine de l’énergie de fusion à faire de grands progrès. La recherche spécifique que nous avons citée pour lancer notre discussion était le résultat d’un partenariat public-privé. Elle montre qu’il existe un transfert constant et systémique de connaissances et de capacités entre les institutions de recherche et les entreprises commerciales.

L’Avenir des Vaisseaux de Fusion : Pensée Innovante Vers l’Optimisation des Ressources

Réussir avec la fusion nécessiterait d’approfondir davantage sa science. Les scientifiques sont plus curieux que jamais.

La Mayonnaise Aide les Chercheurs à Résoudre les Défis Complexes de l’Énergie de Fusion

Une équipe de chercheurs de l’Université Lehigh utilise la mayonnaise comme ingrédient clé dans leurs recherches en cours sur les phases de l’instabilité de Rayleigh‑Taylor. Cette recherche pourrait éclairer la conception de futurs processus de fusion par confinement inertiel pour une énergie propre.

Selon Arindam Banerjee, professeur Paul B. Reinhold de génie mécanique et mécanique à l’Université Lehigh et président du département MEM du P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

L’équipe travaille toujours sur le même problème, à savoir l’intégrité structurelle des capsules de fusion utilisées dans la fusion par confinement inertiel, et la vraie mayonnaise de Hellmann continue de nous aider dans la recherche de solutions.

La mayonnaise aide l’équipe en agissant comme un solide qui commence à s’écouler lorsqu’il est soumis à un gradient de pression. Le problème de Rayleigh‑Taylor, un problème bien connu en physique, implique le phénomène qui se produit entre des matériaux de densités différentes lorsque les gradients de densité et de pression sont dans des directions opposées, créant une stratification instable. L’utilisation de la mayonnaise permet d’essayer des solutions possibles tout en éliminant le besoin de températures et de pressions élevées, qui sont extrêmement difficiles à contrôler.

Fusion Froide Sans Températures Extrêmes

Une autre percée récente dans la fusion froide a ravivé les espoirs d’atteindre une énergie propre sans le besoin de températures extrêmement élevées et de plasma, traditionnellement associés à la fusion nucléaire.

Ce développement, longtemps considéré comme de la science marginale, implique l’utilisation de la science des matériaux, de métaux rares et de processus chimiques spécifiques pour atteindre la fusion nucléaire à des températures plus basses.

La communauté scientifique avait auparavant rejeté la fusion froide en raison de l’incapacité à reproduire les premiers résultats expérimentaux, mais une nouvelle étude évaluée par des pairs publiée dans Nature suggère une voie possible en observant les émissions de neutrons lors d’expériences avec de la poudre de titane déutérisée sous cavitation acoustique. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à davantage de recherches sur la fusion froide en tant que source d’énergie alternative viable, offrant le potentiel d’une énergie propre et pratiquement illimitée.

Les résultats de l’étude remettent en cause la croyance de longue date selon laquelle la fusion nucléaire nécessite les conditions extrêmes présentes dans les étoiles, telles que des températures de plusieurs millions de degrés et des champs magnétiques puissants. Au contraire, cette nouvelle approche explore le potentiel d’atteindre la fusion par des mécanismes différents, ce qui pourrait révolutionner le paysage énergétique en offrant une méthode plus accessible et moins consommatrice de ressources pour générer de l’énergie.

Si elle réussit, la fusion froide pourrait contourner l’infrastructure massive et l’apport énergétique requis par les méthodes de fusion traditionnelles, en faisant un facteur de changement majeur dans la quête de solutions énergétiques durables et propres.

IA : Un Facteur de Changement dans la Stabilisation des Réactions de Fusion Nucléaire

Avec une sophistication croissante et des capacités en expansion, l’IA révolutionne le domaine de la fusion nucléaire en prédisant et en prévenant les instabilités du plasma, qui ont historiquement entravé la durabilité des réactions de fusion.

Des chercheurs de l’Université de Princeton et du Princeton Plasma Physics Laboratory du Département de l’Énergie des États-Unis ont développé un modèle d’IA capable de prévoir les perturbations du plasma, telles que les instabilités de mode de déchirure, jusqu’à 300 millisecondes avant leur manifestation. Cela permet à l’IA d’effectuer des ajustements en temps réel aux paramètres du réacteur, maintenant la stabilité du plasma et empêchant la réaction de se terminer prématurément.

Le pouvoir prédictif de l’IA provient de son entraînement sur des données d’expériences passées, lui permettant de répondre dynamiquement aux potentielles instabilités d’une manière que les modèles traditionnels basés sur la physique ne peuvent pas.

Comme le plasma est intrinsèquement instable et complexe, maintenir sa stabilité a été un défi majeur pour soutenir la fusion nucléaire. Traditionnellement, les méthodes se sont concentrées sur l’atténuation des instabilités uniquement après qu’elles aient commencé à perturber le plasma, souvent trop tard pour sauver la réaction.

En tirant parti de la capacité de l’IA à prédire et à contrer préventivement ces instabilités, le processus de fusion devient plus stable et viable, se rapprochant de la réalisation d’une énergie de fusion pratique et durable. Cette avancée améliore non seulement les perspectives de la fusion comme source d’énergie illimitée, mais souligne également le rôle crucial que joue l’IA pour surmonter les obstacles les plus difficiles de la recherche sur la fusion.

Quelles Perspectives pour le Futur ?

L’avenir verra les entreprises concevoir des solutions d’énergie de fusion qui optimisent l’espace et l’utilisation des ressources en termes d’énergie et de coût. Selon Omar Hurricane, responsable de programme au Lawrence Livermore National Laboratory, où se trouve le National Ignition Facility:

La fusion semble aujourd’hui beaucoup plus plausible qu’il y a dix ans en tant que source d’énergie future.

En 2023, des scientifiquesont réalisé une percée lorsqu’ils ont créé une réaction nucléaire capable de générer plus d’énergie qu’elle n’en consommait. Selon les rapports, l’expérience a déployé un ensemble de 192 lasers pour délivrer 2,05 mégajoules d’énergie sur un petit cylindre d’or de la taille d’un pois contenant une pastille congelée des isotopes d’hydrogène deutérium et tritium.

L’énergie était si intense qu’elle a effondré la capsule. La température atteinte ne pouvait être égalée que par les étoiles et les armes thermonucléaires. En termes plus spécifiques, comme le suggère le laboratoire, 3,15 mégajoules d’énergie ont été libérés — près de 54 % de plus que l’énergie injectée dans la réaction et plus du double du précédent record de 1,3 mégajoules.

De nombreux chercheurs pensaient que les résultats de l’expérience présentaient un grand potentiel pour l’avenir. Selon Michael Campbell, ancien directeur du laboratoire de fusion de l’Université de Rochester à New York et premier défenseur du NIF au laboratoire Lawrence Livermore, cette percée pourrait renforcer la confiance dans la promesse de l’énergie de fusion laser et ouvrir finalement la voie à un nouveau programme axé sur les applications énergétiques. Kim Bundil, directeur du laboratoire Lawrence Livermore, estimait qu’il s’agissait du « bloc de construction fondamental d’un schéma de puissance de fusion par confinement inertiel ».

L’essai et son succès ont également démontré la nécessité de nombreux développements futurs qui rendraient le processus plus robuste. Par exemple, pour que l’essai devienne un processus viable, l’énergie libérée comparée à l’énergie nécessaire à la production des impulsions laser doit augmenter d’au moins deux ordres de grandeur.

L’avenir devra également connaître une augmentation spectaculaire du taux auquel les lasers peuvent produire les impulsions et de la rapidité avec laquelle ils peuvent nettoyer la chambre cible pour la préparer à une nouvelle combustion.

Alors que ces efforts se poursuivront dans les jours à venir, nous conclurons la discussion d’aujourd’hui en mentionnant un autre projet vital dans cet espace — le projet ITER de 22 milliards de dollars US, une collaboration entre la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis. Le projet travaille à atteindre une fusion auto-entretenue, où l’énergie de la fusion produirait davantage de fusion.

Lentement et régulièrement, à mesure que les expériences actuelles culminent dans leur finalité, l’énergie de fusion deviendra plus rentable, optimisée et prête pour une adoption massive plus large.