La fusion nucléaire franchit une étape importante grâce à de meilleures parois de réacteur

Des scientifiques d'un laboratoire anglais ont battu le record de la quantité d'énergie produite lors d'une réaction de fusion contrôlée et soutenue. La production de 59 mégajoules d'énergie sur cinq secondes à l'expérience Joint European Torus (JET) en Angleterre a été qualifié de « percée » par certains médias et a suscité beaucoup d'enthousiasme parmi les physiciens. Mais une ligne commune concernant production d'électricité par fusion c'est que c'est "toujours dans 20 ans. »

Nous sommes un physicien nucléaire et ingénieur nucléaire qui étudient comment développer la fusion nucléaire contrôlée dans le but de produire de l'électricité.

Le résultat du JET démontre des progrès 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 différencie ces résultats des étapes précédentes et élève la fusion magnétique. d'un rêve vers une réalité.

Fusionner des particules ensemble

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

Il y a un peu d' différentes façons de contrôler en toute sécurité la fusion sur Terre. Notre recherche porte sur l’approche adoptée par JET : utiliser des champs magnétiques puissants pour confiner les atomes jusqu'à ce qu'ils soient chauffés à une température suffisamment élevée pour qu'ils fondent.

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

Pour qu’une réaction de fusion réussisse, les atomes du combustible doivent d’abord devenir si chauds que les électrons se libèrent des noyaux. Cela crée du plasma, une collection d'ions et d'électrons positifs. 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 Celsius). Ce plasma doit être conservé dans un espace confiné à haute densité pendant une durée suffisamment longue pour que les 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 :appelé tokamaks – qui utilisent des champs magnétiques pour contenir le plasma. Les lignes de champ magnétique qui s'enroulent autour de l'intérieur du beignet agissent comme si des voies ferrées que suivent les ions et les électrons. En injectant de l'énergie dans le plasma et en le réchauffant, 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 du récipient de fusion. Pour éviter que les parois ne se dégradent à cause 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 lourdement blindée appelée diverteur. Cela pompe les particules détournées et élimine tout excès de chaleur pour protéger le tokamak.

Les murs sont importants

Une limitation majeure des réacteurs précédents était le fait que les diverteurs ne pouvaient 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 tokamak capable de survivre pendant des années dans les conditions nécessaires à la fusion.

Le mur inverseur est la première considération. Bien que les particules de combustible soient beaucoup plus froides lorsqu'elles atteignent le diverteur, elles disposent néanmoins de suffisamment d'énergie pour détacher les atomes du matériau de la paroi du diverteur lorsqu'ils entrent en collision avec celui-ci. Auparavant, le divertor du JET avait une paroi en graphite, mais le graphite absorbe et emprisonne trop de carburant pour une utilisation pratique.

Vers 2011, les ingénieurs de JET ont modernisé le divertor et les parois intérieures de la cuve en tungstène. Le tungstène a été choisi en partie parce qu'il possède le point de fusion le plus élevé de tous les métaux, une caractéristique extrêmement importante lorsque le divertor est susceptible de subir des charges thermiques de presque 10 fois plus haut que le nez d'une navette spatiale réintégrer l'atmosphère terrestre. La paroi interne du tokamak est passée du graphite au béryllium. Le béryllium possède d'excellentes propriétés thermiques et mécaniques pour un réacteur à fusion : il absorbe moins de carburant que le graphite mais peut quand même 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 paroi qui rend l'expérience vraiment impressionnante, car les futurs appareils auront besoin de ces parois plus robustes pour fonctionner à haute puissance pendant des périodes encore plus longues. de temps. JET est une preuve de concept réussie sur la manière de construire la prochaine génération de réacteurs à fusion.

Les prochains réacteurs à fusion

Le tokamak JET est le réacteur à fusion magnétique le plus grand et le plus avancé actuellement en activité. Mais la prochaine génération de réacteurs est déjà en chantier, notamment l'expérience ITER, dont les opérations devraient commencer 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 le JET s'est révélé viable. Mais il existe également quelques différences essentielles. Premièrement, ITER est massif. La chambre de fusion est 37 pieds (11.4 mètres) de hauteur et 63 pieds (19.4 mètres) de diamètre, plus de huit fois plus grand que JET. De plus, ITER utilisera des aimants supraconducteurs capables de produire champs magnétiques plus forts pendant des périodes plus longues par rapport aux aimants de JET. Grâce à ces améliorations, ITER devrait battre les records de fusion du JET, à la fois en termes de production d'énergie et de durée de réaction.

ITER devrait également accomplir quelque chose d’essentiel dans 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 réacteur produit 10 fois plus d’énergie qu’il n’en consomme—une énorme amélioration par rapport à JET, qui nécessitait environ trois fois plus d'énergie pour chauffer le carburant qu'il n'en produit pour sa récente Record de 59 mégajoules.

Les résultats récents du JET ont 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 exploiter la fusion pour la production d'électricité. ITER constituera un énorme pas en avant vers l’objectif de centrales électriques à fusion à l’échelle industrielle.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit image: Rswilcox/Wikimedia Commons

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• Source : https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/