Dans les premières heures du 5 septembre 2021, des ingénieurs ont atteint un jalon majeur dans les laboratoires du Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT, lorsque un nouveau type d'aimant, fabriqué à partir de matériaux supraconducteurs à haute température, a atteint une force de champ magnétique record mondial de 20 tesla pour un aimant de grande envergure. C'est l'intensité nécessaire pour construire une centrale de fusion qui devrait produire un rendement net d'énergie et potentiellement inaugurer une ère de production d'énergie virtuellement illimitée.
Le test a été immédiatement déclaré réussi, ayant répondu à tous les critères établis pour la conception du nouvel appareil de fusion, baptisé SPARC, pour lequel les aimants sont la technologie clé. Les bouchons de champagne ont sauté alors que l'équipe fatiguée d'expérimentateurs, qui avait travaillé dur et longtemps pour rendre cet accomplissement possible, célébrait leur réussite.
Mais cela était loin d'être la fin du processus. Au cours des mois suivants, l'équipe a démonté et inspecté les composants de l'aimant, a examiné et analysé les données provenant de centaines d'instruments qui ont enregistré les détails des tests, et a effectué deux séries de tests supplémentaires sur le même aimant, le poussant finalement à son point de rupture afin d'apprendre les détails de tout mode de panne possible.
Tout ce travail a maintenant abouti à un rapport détaillé par des chercheurs du PSFC et de l'entreprise dérivée de MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), publié dans une collection de six articles évalués par les pairs dans un numéro spécial du numéro de mars de IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Ensemble, les articles décrivent la conception et la fabrication de l'aimant et des équipements de diagnostic nécessaires pour évaluer ses performances, ainsi que les leçons tirées du processus. Dans l'ensemble, l'équipe a constaté que les prédictions et les modélisations informatiques étaient exactes, confirmant que les éléments de conception uniques de l'aimant pouvaient servir de base à une centrale électrique à fusion.
Permettre une énergie de fusion pratique
Le test réussi de l'aimant, dit Dennis Whyte, professeur d'ingénierie à Hitachi America, qui vient de quitter son poste de directeur du PSFC, était « la chose la plus importante, à mon avis, dans les 30 dernières années de recherche sur la fusion. »
Avant la démonstration du 5 septembre, les meilleurs aimants supraconducteurs disponibles étaient assez puissants pour potentiellement atteindre l'énergie de fusion — mais seulement à des dimensions et des coûts qui ne pourraient jamais être pratiques ou économiquement viables. Puis, lorsque les tests ont montré la praticabilité d'un tel aimant puissant à une taille beaucoup plus réduite, « en une nuit, cela a fondamentalement changé le coût par watt d'un réacteur de fusion par un facteur d'environ 40 en une journée », dit Whyte.
« Maintenant, la fusion a une chance », ajoute Whyte. Les tokamaks, le design le plus utilisé pour les dispositifs expérimentaux de fusion, « ont, selon moi, une chance d'être économiques car vous avez un changement radical dans votre capacité, avec les règles physiques de confinement connues, à grandement réduire la taille et le coût des objets qui rendraient la fusion possible. »
Les données et analyses complètes issues du test de magnétisme du PSFC, telles qu'elles sont détaillées dans les six nouveaux articles, ont démontré que les plans pour une nouvelle génération d'appareils de fusion — celui conçu par le MIT et CFS, ainsi que des conceptions similaires d'autres entreprises commerciales de fusion — reposent sur une base solide en science.
La percée en supraconductivité
La fusion, le processus consistant à combiner des atomes légers pour former des atomes plus lourds, alimente le soleil et les étoiles, mais maîtriser ce processus sur Terre s'est révélé être un défi redoutable, avec des décennies de travail acharné et des milliards de dollars dépensés pour des dispositifs expérimentaux. L'objectif tant recherché, mais jamais encore atteint, est de construire une centrale de 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 pendant son fonctionnement, et générer très peu de déchets radioactifs. Le carburant de la fusion, une forme d'hydrogène qui peut être extraite de l'eau de mer, est virtuellement illimité.
Mais pour que cela fonctionne, il faut comprimer le carburant à des températures et 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 tels champs puissants nécessite des aimants supraconducteurs, mais tous les aimants de 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 degrés Celsius). Au cours des dernières années, un nouveau matériau surnommé REBCO, pour oxyde de cuivre à base de terres rares et de barium, a été ajouté aux aimants de fusion, permettant ainsi leur fonctionnement à 20 kelvins, une température qui, malgré qu'elle soit seulement 16 kelvins plus chaude, apporte des avantages significatifs en termes de propriétés des matériaux et d'ingénierie pratique.
Tirer parti de ce nouveau matériau supraconducteur à haute température n'était pas simplement une question de le substituer dans les conceptions de magnétos existantes. Au lieu de cela, « c'était un réexamen à partir de zéro de presque tous les principes que vous utilisez pour construire des aimants supraconducteurs », dit Whyte. Le nouveau matériau REBCO est « extraordinairement différent de la génération précédente de supraconducteurs. Vous n'allez pas simplement adapter et remplacer, vous allez en réalité innover à partir de zéro. » Les nouveaux articles Transactions on Applied Superconductivity décrivent les détails de ce processus de redescente, maintenant que la protection par brevet est en place.
Une innovation clé : pas d'isolation
L'une des innovations spectaculaires, qui avait suscité la scepticisme de nombreux autres dans le domaine quant à ses chances de réussite, a été l'élimination de l'isolation autour des rubans minces et plats en bande superconductrice formant l'aimant. Comme pratiquement tous les fils électriques, les aimants superconducteurs conventionnels 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 comptaient sur la conductivité bien supérieure du REBCO pour maintenir le courant circulant à travers le matériau.
« Lorsque nous avons commencé ce projet, disons en 2018, la technologie consistant à utiliser des supraconducteurs à haute température pour construire des aimants à champ élevé de grande envergure était encore balbutiante », explique Zach Hartwig, le professeur Robert N. Noyce chargé du développement de carrière au département des sciences et de l'ingénierie nucléaire. Hartwig a une co-nomination au PSFC et dirige son groupe d'ingénierie, qui a mené le projet de développement de l'aimant. « L'état de l'art se limitait à de petites expériences de table de laboratoire, ne reflétant pas vraiment ce qu'il faut pour construire une chose à taille réelle. Notre projet de développement d'aimants a commencé à petite échelle et est rapidement arrivé à pleine échelle », ajoute-t-il, notant que l'équipe a construit un aimant de 20 000 livres produisant un champ magnétique stable et uniforme d'un peu plus de 20 teslas — bien au-delà de tout tel champ jamais produit à grande échelle.
« La méthode standard pour fabriquer ces aimants consiste à enrouler le conducteur et à avoir une isolation entre les enroulements, et vous avez besoin d'isolation pour gérer les fortes tensions générées lors d'événements anormaux tels qu'une fermeture. » En éliminant les couches d'isolation, dit-il, « cela présente l'avantage d'être un système à basse tension. Cela simplifie grandement les processus de fabrication et le calendrier. » Cela laisse également plus de place pour d'autres éléments, comme plus de refroidissement ou plus de structure pour la solidité.
L'assemblage d'aimants est une version légèrement réduite de ceux qui formeront la chambre en forme de donut de l'appareil de fusion SPARC actuellement construit par CFS à Devens, dans le Massachusetts. Il se compose de 16 plaques, appelées crêpes, chacune portant un enroulement spiralé de la bande supraconductrice d'un côté et des canaux de refroidissement pour le gaz hélium de l'autre.
Mais le design sans isolation était considéré comme risqué, et beaucoup dépendait du programme de tests. « C'était le premier aimant à une échelle suffisante qui explorait vraiment ce qui est impliqué dans la conception, la fabrication et les tests d'un aimant avec cette technologie dite sans isolation ni torsion », explique Hartwig. « Ce fut une grande surprise pour la communauté lorsque nous avons annoncé que c'était une bobine sans isolation. »
Pousser jusqu'à la limite... et au-delà
Le test initial, décrit dans des articles précédents, a prouvé que la conception et le processus de fabrication fonctionnaient non seulement bien mais étaient également très stables — quelque chose que certains chercheurs avaient mis en doute. Les deux prochains cycles de tests, effectués à la fin de 2021, ont ensuite poussé l'appareil à ses limites en créant intentionnellement des conditions instables, y compris une coupure totale de l'alimentation électrique, ce qui peut entraîner un surchauffe catastrophique. Connue sous le nom de quenching, cette situation est considérée comme le scénario catastrophe pour le fonctionnement de tels aimants, avec un risque de destruction de l'équipement.
Une partie de la mission du programme de tests, explique Hartwig, était « d'aller déclencher intentionnellement la désactivation d'un aimant à pleine échelle, afin que nous puissions obtenir les données critiques à l'échelle adéquate et dans les bonnes conditions pour faire progresser la science, valider les codes de conception, puis démonter l'aimant pour voir ce qui s'est mal passé, pourquoi cela s'est mal passé, et comment procéder à la prochaine itération pour corriger cela. … C'était un test très réussi. »
Ce dernier test, qui s'est terminé par la fonte d'un coin de l'une des 16 crêpes, a produit une abondance de nouvelles informations, dit Hartwig. D'une part, ils utilisaient plusieurs modèles de calcul différents pour concevoir et prédire la performance de divers aspects de la performance de l'aimant, et pour la plupart, les modèles étaient en accord avec leurs prédictions globales et bien validés par la série de tests et de mesures réelles. Mais dans la prédiction de l'effet de la décharge, les prédictions des modèles divergeaient, il était donc nécessaire d'obtenir les données expérimentales pour évaluer la validité des modèles.
« Les modèles de plus haute fidélité que nous avions prévus ont presque exactement prédit comment l'aimant se réchaufferait, dans quelle mesure il se réchaufferait au fur et à mesure qu'il commencerait à se dégrader, et où serait situé le dommage résultant sur l'aimant », dit-il. Comme décrit en détail dans l'un des nouveaux rapports, « Ce test nous a effectivement montré exactement la physique en jeu, et il nous a indiqué quels modèles étaient utiles pour la suite et lesquels abandonner parce qu'ils ne sont pas corrects. »
Whyte dit : « Fondamentalement, nous avons fait subir au bobineau la pire chose possible, intentionnellement, après avoir testé tous les autres aspects de sa performance. Et nous avons constaté que la plupart du bobineau a survécu sans dommage », tandis qu'une zone isolée a subi un peu de fonte. « C'est comme si quelques pour cent du volume du bobineau avait été endommagé. » Et cela a conduit à des révisions dans la conception qui devraient empêcher de tels dommages dans les aimants du dispositif de fusion réel, même dans les conditions les plus extrêmes.
Hartwig souligne que l'une des raisons principales pour lesquelles l'équipe a pu réaliser un design de magnétoscope aussi radical et record, et l'obtenir correctement du premier coup et selon un calendrier effréné, était grâce au niveau profond de connaissances, d'expertise et d'équipements accumulés sur plusieurs décennies d'exploitation du tokamak Alcator C-Mod, du Laboratoire de Magnétisme Francis Bitter, et d'autres travaux menés au PSFC. « Cela touche au cœur des capacités institutionnelles d'un endroit comme celui-ci », dit-il. « Nous avions les compétences, l'infrastructure, l'espace et les personnes pour faire ces choses sous un même toit. »
La collaboration avec CFS a également été clé, dit-il, avec MIT et CFS combinant les aspects les plus puissants d'une institution académique et d'une entreprise privée pour faire ensemble des choses que ni l'un ni l'autre n'auraient pu accomplir seuls. « Par exemple, l'une des contributions majeures de CFS a été d'exploiter la puissance d'une entreprise privée pour établir et développer 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 supraconducteur à haute température, qui ont été acquis avec un contrôle qualité rigoureux en moins d'un an, et intégrés selon le calendrier prévu dans l'aimant. »
L'intégration des deux équipes, celles de MIT et celles de CFS, a également été cruciale pour le succès, dit-il. « Nous nous considérions comme une seule équipe, et cela nous a permis de réaliser ce que nous avons fait. »
