La fusion nucléaire vient de faire un bond massif vers la production d'énergie

Les scientifiques d'un laboratoire en Angleterre ont battu le record de la quantité d'énergie produite lors d'une réaction de fusion contrôlée et soutenue. La production de59 mégajoules d'énergie en cinq secondesà l'expérience Joint European Torus – ou JET – en Angleterre a étéqualifié de "percée" par certains organes de presse et a suscité beaucoup d'enthousiasme parmi les physiciens. Mais une ligne commune concernant la production d'électricité par fusion est qu'elle est "toujours à 20 ans.”

Nous sommes unphysicien nucléaireet uningénieur nucléairequi étudient comment développer la fusion nucléaire contrôlée dans le but de produire de l'électricité.

Le résultat de JET démontre des avancées remarquables dans la compréhension de la physique de la fusion. Mais tout aussi important, cela montre que les nouveaux matériaux utilisés pour construire les parois internes du réacteur à fusion ont fonctionné comme prévu. Le fait que la nouvelle construction du mur ait aussi bien fonctionné est ce qui distingue ces résultats des jalons précédents et élève la fusion magnétique d'un rêve à une réalité.

Fusionner des particules ensemble

La fusion nucléaire est la fusion de deux noyaux atomiques en un seul noyau composé. Ce noyau se décompose alors et libère de l'énergie sous la forme de nouveaux atomes et particules qui s'éloignent rapidement de la réaction. Une centrale à fusion capturerait les particules qui s'échappent et utiliserait leur énergie pour produire de l'électricité.

Il y a un peudifférentes façons de contrôler en toute sécurité la fusion sur Terre . Notre recherche se concentre sur l'approche adoptée par JET – en utilisantchamps magnétiques puissants pour confiner les atomesjusqu'à ce qu'ils soient chauffés à une température suffisamment élevée pour qu'ils fondent.

Le combustible des réacteurs actuels et futurs est composé de deux isotopes différents de l'hydrogène – ce qui signifie qu'ils ont le même proton, mais un nombre différent de neutrons – appelésdeutérium et tritium . L'hydrogène normal a un proton et aucun neutron dans son noyau. Le deutérium a un proton et un neutron tandis que le tritium a un proton et deux neutrons.

Pour qu'une réaction de fusion réussisse, les atomes de combustible doivent d'abord devenir si chauds que les électrons se libèrent des noyaux. Cela crée du plasma – une collection d'ions positifs et d'électrons. Vous devez ensuite continuer à chauffer ce plasma jusqu'à ce qu'il atteigne une température supérieure à 200 millions de degrés Fahrenheit (100 millions de Celsius). Ce plasma doit ensuite être conservé dans un espace confiné à haute densité pendant une durée suffisamment longue pour que leles atomes de carburant entrent en collision les uns avec les autres et fusionnent.

Pour contrôler la fusion sur Terre, les chercheurs ont développé des dispositifs en forme de beignet –appelés tokamaks – qui utilisent des champs magnétiques pour contenir le plasma. Les lignes de champ magnétique s'enroulant autour de l'intérieur du beignet agissent commeles voies ferrées que suivent les ions et les électrons . En injectant de l'énergie dans le plasma et en le chauffant, il est possible d'accélérer les particules de combustible à des vitesses si élevées que lorsqu'elles entrent en collision, au lieu de rebondir les unes sur les autres, les noyaux de combustible fusionnent. Lorsque cela se produit, ils libèrent de l'énergie,principalement sous forme de neutrons rapides.

Au cours du processus de fusion, les particules de combustible s'éloignent progressivement du noyau chaud et dense et finissent par entrer en collision avec la paroi interne de la cuve de fusion. Pour éviter que les parois ne se dégradent en raison de ces collisions – qui à leur tour contaminent également le combustible de fusion – les réacteurs sont construits de manière à canaliser les particules capricieuses vers une chambre fortement blindée appelée le divertor. Cela pompe les particules détournées et élimine tout excès de chaleur pour protéger le tokamak.

Les murs sont importants

Une limitation majeure des réacteurs passés a été le fait que les divertors ne peuvent pas survivre au bombardement constant de particules pendant plus de quelques secondes. Pour que l'énergie de fusion fonctionne commercialement, les ingénieurs doivent construire un navire tokamak qui survivra pendant des années d'utilisation dans les conditions nécessaires à la fusion.

Le mur du divertor est la première considération. Bien que les particules de combustible soient beaucoup plus froides lorsqu'elles atteignent le divertor, elles ont encore assez d'énergie pourdétachent les atomes du matériau de la paroi du divertor lorsqu'ils entrent en collision avec celui-ci . Auparavant, le divertor de JET avait une paroi en graphite, maisle graphite absorbe et piège trop de carburant pour une utilisation pratique.

Vers 2011, les ingénieurs de JET ont amélioré le divertor et les parois intérieures de la cuve en tungstène. Le tungstène a été choisi en partie parce qu'il a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux – un trait extrêmement important lorsque le divertor est susceptible de subir des charges thermiques presque10 fois plus haut que le nez d'une navette spatiale réintégrer l'atmosphère terrestre. La paroi interne de la cuve du tokamak est passée du graphite au béryllium. Le béryllium possède d'excellentes propriétés thermiques et mécaniques pour un réacteur à fusion – ilabsorbe moins de carburant que le graphite mais peut encore résister aux températures élevées.

L'énergie produite par JET a fait la une des journaux, mais nous dirions que c'est en fait l'utilisation des nouveaux matériaux de mur qui rend l'expérience vraiment impressionnante car les futurs appareils auront besoin de ces murs plus robustes pour fonctionner à haute puissance pendant des périodes encore plus longues. de temps. JET est une preuve de concept réussie pour la construction de la prochaine génération de réacteurs à fusion.

Les prochains réacteurs à fusion

Le tokamak JET est le réacteur de fusion magnétique le plus grand et le plus avancé actuellement en service. Mais la prochaine génération de réacteurs est déjà en préparation, notammentl'expérience ITERqui devrait commencer ses opérations en 2027. ITER – qui signifie en latin "le chemin" – est en construction en France et financé et dirigé par une organisation internationale qui comprend les États-Unis

ITER va mettre à profit de nombreuses avancées matérielles dont JET a montré qu'elles étaient viables. Mais il existe également des différences essentielles. Premièrement, ITER est massif. La chambre de fusion est37 pieds (11,4 mètres) de haut et 63 pieds (19,4 mètres) autour – plus de huit fois plus grand que JET. De plus, ITER utilisera des aimants supraconducteurs capables de produiredes champs magnétiques plus forts pendant de plus longues périodes par rapport aux aimants de JET. Avec ces mises à niveau, ITER devrait battre les records de fusion de JET, à la fois pour la production d'énergie et la durée de la réaction.

ITER devrait également faire quelque chose de central à l'idée d'une centrale à fusion : produire plus d'énergie qu'il n'en faut pour chauffer le combustible. Les modèles prédisent qu'ITER produira environ 500 mégawatts d'énergie en continu pendant 400 secondes tout en ne consommant que 50 MW d'énergie pour chauffer le combustible. Cela signifie que le réacteurproduit 10 fois plus d'énergie qu'il n'en consomme– une énorme amélioration par rapport à JET, qui nécessitaitenviron trois fois plus d'énergie pour chauffer le carburant qu'il n'en a produitpour sa récenteRecord de 59 mégajoules.

Le récent record de JET a montré que des années de recherche en physique des plasmas et en science des matériaux ont porté leurs fruits et ont amené les scientifiques à la porte de l'exploitation de la fusion pour la production d'électricité. ITER constituera un énorme pas en avant vers l'objectif des centrales à fusion à l'échelle industrielle.

Article deDavid Donovanprofesseur agrégé de génie nucléaire,Université du TennesseeetLivia Casaliprofesseur adjoint de génie nucléaire, membre de la faculté Zinkle,Université du Tennessee

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