Tests show high-temperature superconducting magnets are ready for fusion
Des tests montrent que les aimants supraconducteurs à haute température sont prêts pour la fusion
par David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology
Au Plasma Science and Fusion Center du MIT, les nouveaux aimants ont atteint une intensité de champ magnétique record mondial de 20 tesla pour un aimant à grande échelle. Crédit : Gretchen Ertl
À l'aube du 5 septembre 2021, les ingénieurs ont franchi une étape majeure dans les laboratoires du Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT, lorsqu'un nouveau type d'aimant, fabriqué à partir d'un matériau supraconducteur à haute température, a atteint un record mondial. intensité de champ magnétique de 20 tesla pour un aimant à grande échelle. C’est l’intensité nécessaire pour construire une centrale à fusion qui devrait produire une production nette d’électricité et potentiellement ouvrir la voie à une ère de production d’électricité pratiquement illimitée.
Le test a été immédiatement déclaré réussi, car il répondait à tous les critères établis pour la conception du nouveau dispositif de fusion, baptisé SPARC, pour lequel les aimants constituent la technologie clé. Les bouchons de champagne ont éclaté alors que l'équipe fatiguée d'expérimentateurs, qui avaient travaillé longtemps et durement pour rendre cet objectif possible, célébrait leur accomplissement.
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Selon Dennis Whyte, professeur d'ingénierie chez Hitachi America et qui a récemment quitté son poste de directeur du PSFC, le test réussi de l'aimant était "à mon avis, la chose la plus importante des 30 dernières années de recherche sur la fusion".
Avant la démonstration du 5 septembre, les meilleurs aimants supraconducteurs disponibles étaient suffisamment puissants pour potentiellement produire de l’énergie de fusion, mais seulement à des tailles et à des coûts qui ne pourraient jamais être pratiques ou économiquement viables. Ensuite, lorsque les tests ont montré l'utilité d'un aimant aussi puissant avec une taille considérablement réduite, "du jour au lendemain, cela a fondamentalement modifié le coût par watt d'un réacteur à fusion d'un facteur de près de 40 en une journée", explique Whyte.
"Maintenant, la fusion a une chance", ajoute Whyte. Les tokamaks, la conception la plus largement utilisée pour les dispositifs expérimentaux de fusion, « ont une chance, à mon avis, d'être économiques parce que vous avez un changement quantique dans votre capacité, avec les règles connues de la physique du confinement, à être capable de réduire considérablement la la taille et le coût des objets qui rendraient la fusion possible. »
Les données et analyses complètes du test magnétique du PSFC, telles que détaillées dans les six nouveaux articles, ont démontré que les plans pour une nouvelle génération de dispositifs de fusion – celui conçu par le MIT et le CFS, ainsi que des conceptions similaires par d'autres sociétés commerciales de fusion – reposent sur des bases scientifiques solides.
La percée supraconductrice
La fusion, le processus de combinaison d'atomes légers pour en former des plus lourds, alimente le soleil et les étoiles, mais exploiter ce processus sur Terre s'est avéré être un défi de taille, avec des décennies de travail acharné et plusieurs milliards de dollars dépensés en dispositifs expérimentaux.
L’objectif longtemps recherché, mais jamais atteint, est de construire une centrale électrique à fusion qui produit plus d’énergie qu’elle n’en consomme. Une telle centrale pourrait produire de l’électricité sans émettre de gaz à effet de serre lors de son fonctionnement, et générant très peu de déchets radioactifs. Le carburant de fusion, une forme d'hydrogène pouvant être dérivée de l'eau de mer, est pratiquement illimité.
Mais pour que cela fonctionne, il faut comprimer le carburant à des températures et des pressions extraordinairement élevées, et comme aucun matériau connu ne peut résister à de telles températures, le carburant doit être maintenu en place par des champs magnétiques extrêmement puissants. La production de champs aussi puissants nécessite des aimants supraconducteurs, mais tous les aimants à fusion précédents ont été fabriqués avec un matériau supraconducteur qui nécessite des températures glaciales d'environ 4 degrés au-dessus du zéro absolu (4 kelvins, ou -270°C).
Ces dernières années, un nouveau matériau surnommé REBCO, pour oxyde de cuivre et de baryum de terres rares, a été ajouté aux aimants à fusion et leur permet de fonctionner à 20 kelvins, une température qui, bien qu'elle ne soit que de 16 kelvins plus chaude, apporte des avantages significatifs en termes de température. des propriétés des matériaux et de l'ingénierie pratique.
Tirer parti de ce nouveau matériau supraconducteur à haute température ne consistait pas seulement à le remplacer dans les conceptions d’aimants existantes. Au lieu de cela, "il s'agissait d'une refonte complète de presque tous les principes que vous utilisez pour construire des aimants supraconducteurs", explique Whyte. Le nouveau matériau REBCO est "extraordinairement différent de la génération précédente de supraconducteurs. Vous n'allez pas seulement l'adapter et le remplacer, vous allez en fait innover à partir de zéro". Les nouveaux articles publiés dans IEEE Transactions on Applied Superconductivity décrivent les détails de ce processus de refonte, ma’une des innovations spectaculaires, dont beaucoup d’autres dans le domaine étaient sceptiques quant à ses chances de succès, a été l’élimination de l’isolation autour des minces rubans plats de ruban supraconducteur qui formaient l’aimant. Comme pratiquement tous les fils électriques, les aimants supraconducteurs classiques sont entièrement protégés par un matériau isolant pour éviter les courts-circuits entre les fils. Mais dans le nouvel aimant, la bande était complètement nue ; les ingénieurs se sont appuyés sur la conductivité beaucoup plus élevée de REBCO pour maintenir le courant circulant à travers le matériau.
"Lorsque nous avons lancé ce projet, disons en 2018, la technologie consistant à utiliser des supraconducteurs à haute température pour construire des aimants à champ élevé à grande échelle en était à ses balbutiements", explique Zach Hartwig, professeur de développement de carrière Robert N. Noyce au département. de la science et de l'ingénierie nucléaires. Hartwig est co-nominé au PSFC et dirige son groupe d'ingénierie, qui a dirigé le projet de développement de l'aimant.
"L'état de l'art était constitué de petites expériences sur table, pas vraiment représentatives de ce qu'il faut pour construire un objet grandeur nature. Notre projet de développement d'aimants a commencé à l'échelle d'une table et s'est terminé à grande échelle en peu de temps", ajoute-t-il. , notant que l'équipe a construit un aimant de 20 000 livres qui a produit un champ magnétique stable et uniforme d'un peu plus de 20 tesla, bien au-delà de tout champ de ce type jamais produit à grande échelle.
"La manière standard de construire ces aimants est d'enrouler le conducteur et d'avoir une isolation entre les enroulements, et vous avez besoin d'une isolation pour faire face aux hautes tensions générées lors d'événements anormaux tels qu'un arrêt." L'élimination des couches d'isolation, dit-il, « présente l'avantage d'être un système basse tension. Cela simplifie grandement les processus et le calendrier de fabrication ». Cela laisse également plus de place à d’autres éléments, comme plus de refroidissement ou plus de structure pour plus de solidité.
L'ensemble magnétique est une version légèrement plus petite de ceux qui formeront la chambre en forme de beignet du dispositif de fusion SPARC actuellement construit par CFS à Devens, Massachusetts. Il se compose de 16 plaques, appelées crêpes, portant chacune un enroulement en spirale de la bande supraconductrice d'un côté et des canaux de refroidissement pour l'hélium gazeux de l'autre.
Mais la conception sans isolation était considérée comme risquée et beaucoup de choses dépendaient du programme de tests. "Il s'agissait du premier aimant à une échelle suffisante qui explorait réellement ce qu'impliquaient la conception, la construction et les tests d'un aimant avec cette technologie dite sans isolation et sans torsion", explique Hartwig. "La communauté a été très surprise lorsque nous avons annoncé qu'il s'agissait d'un serpentin sans isolation."
Repousser les limites… et au-delà
Le test initial, décrit dans des articles précédents, a prouvé que le processus de conception et de fabrication non seulement fonctionnait mais était également très stable, ce dont certains chercheurs doutaient. Les deux tests suivants, également réalisés fin 2021, ont ensuite poussé l’appareil dans ses retranchements en créant délibérément des conditions instables, notamment une coupure complète de l’alimentation électrique pouvant conduire à une surchauffe catastrophique. Connu sous le nom de trempe, ce scénario est considéré comme le pire des cas pour le fonctionnement de tels aimants, avec le potentiel de détruire l’équipement.
Une partie de la mission du programme d'essais, dit Hartwig, était « d'éteindre intentionnellement un aimant à grande échelle, afin que nous puissions obtenir les données critiques à la bonne échelle et dans les bonnes conditions pour faire progresser la science, valider » les codes de conception, puis démonter l'aimant et voir ce qui n'a pas fonctionné, pourquoi cela a-t-il mal fonctionné et comment passer à la prochaine itération pour résoudre ce problème. … Ce fut une initiative très réussie.
La collaboration avec le CFS a également été essentielle, dit-il, car le MIT et le CFS combinent les aspects les plus puissants d'un établissement universitaire et d'une entreprise privée pour réaliser ensemble des choses que ni l'un ni l'autre n'auraient pu faire seuls. « Par exemple, l'une des contributions majeures du CFS a été de tirer parti de la puissance d'une entreprise privée pour établir et étendre une chaîne d'approvisionnement à un niveau et dans un délai sans précédent pour le matériau le plus critique du projet : 300 kilomètres (186 miles) de haute -un supraconducteur de température, qui a été acquis avec un contrôle qualité rigoureux en moins d'un an et intégré dans les délais dans l'aimant.
L'intégration des deux équipes, celles du MIT et celles du CFS, a également été cruciale pour le succès, dit-il. "Nous nous considérions comme une seule équipe, et cela nous a permis de faire ce que nous avons fait.XXXXXXXXXXXXXXXXX
commentaires
Il est vrai quz fusion nucléaire recherche le moyen de confiner le plasma de la maniere la plus serrée et dense possible ,,,et utiliser des bobines le plus ulta conductrices possible et a temperature normale rst un objectif interessant ....Mais comme je ne crois pas a la solution tokamack industrielle je m abstiens de critiquer
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More information: Papers: Special issue on the SPARC Toroidal Field Model Coil Program
Provided by Massachusetts Institute of Technology
This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.
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