Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) ont trouvé un moyen de construire de puissants aimants plus petits qu’auparavant, aidant à la conception et à la construction de machines qui pourraient aider le monde à exploiter la puissance du soleil pour créer de l’électricité sans produire de gaz à effet de serre qui contribuent au changement climatique.
Les scientifiques ont trouvé un moyen de construire des aimants supraconducteurs à haute température constitués d’un matériau conducteur d’électricité avec peu ou pas de résistance à des températures plus chaudes qu’auparavant. De tels aimants puissants s’intégreraient plus facilement dans l’espace restreint à l’intérieur des tokamaks sphériques, qui ont plus la forme d’une pomme évidée que la forme en forme de beignet des tokamaks conventionnels, et sont explorés comme une conception possible pour les futures centrales électriques à fusion.
Étant donné que les aimants pouvaient être positionnés à l’écart des autres machines dans la cavité centrale du tokamak sphérique pour contenir le plasma chaud qui alimente les réactions de fusion, les chercheurs pouvaient les réparer sans avoir à démonter quoi que ce soit d’autre.
« Pour ce faire, vous avez besoin d’un aimant avec un champ magnétique plus fort et une taille plus petite que les aimants actuels », a déclaré Yuhu Zhai, ingénieur principal chez PPPL et auteur principal d’un article rapportant les résultats dans Transactions IEEE sur la supraconductivité appliquée. « La seule façon de le faire est d’utiliser des fils supraconducteurs, et c’est ce que nous avons fait. »
La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma, l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et de noyaux atomiques, qui génère d’énormes quantités d’énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable en énergie sûre et propre pour produire de l’électricité.
Les aimants supraconducteurs à haute température présentent plusieurs avantages par rapport aux aimants en cuivre. Ils peuvent être allumés pendant des périodes plus longues que les aimants en cuivre car ils ne chauffent pas aussi rapidement, ce qui les rend mieux adaptés à une utilisation dans les futures centrales à fusion qui devront fonctionner pendant des mois d’affilée. Les fils supraconducteurs sont également puissants, capables de transmettre la même quantité de courant électrique qu’un fil de cuivre plusieurs fois plus large tout en produisant un champ magnétique plus fort.
Les aimants pourraient également aider les scientifiques à continuer à réduire la taille des tokamaks, à améliorer les performances et à réduire les coûts de construction. « Les tokamaks sont sensibles aux conditions dans leurs régions centrales, y compris la taille de l’aimant central, ou solénoïde, le blindage et la cuve à vide », a déclaré Jon Menard, directeur adjoint de la recherche du PPPL. « Cela dépend beaucoup du centre. Donc, si vous pouvez réduire les choses au milieu, vous pouvez réduire l’ensemble de la machine et réduire les coûts tout en améliorant théoriquement les performances. »
Ces nouveaux aimants tirent parti d’une technique perfectionnée par Zhai et des chercheurs d’Advanced Conductor Technologies, de l’Université du Colorado, à Boulder, et du National High Magnetic Field Laboratory, à Tallahassee, en Floride. La technique signifie que les fils n’ont pas besoin d’isolation conventionnelle en époxy et en fibre de verre pour assurer le flux d’électricité. Tout en simplifiant la construction, la technique réduit également les coûts. « Les coûts d’enroulement des bobines sont bien inférieurs car nous n’avons pas à passer par le processus d’imprégnation sous vide époxy coûteux et sujet aux erreurs », a déclaré Zhai. « Au lieu de cela, vous enroulez directement le conducteur dans la forme de la bobine. »
De plus, « les aimants supraconducteurs à haute température peuvent aider à la conception de tokamak sphérique car la densité de courant plus élevée et les enroulements plus petits offrent plus d’espace pour la structure de support qui aide l’appareil à résister aux champs magnétiques élevés, améliorant ainsi les conditions de fonctionnement », a déclaré Thomas Brown, un ingénieur PPPL qui contribué à la recherche. « De plus, les aimants plus petits et plus puissants offrent au concepteur de la machine plus d’options pour concevoir un tokamak sphérique avec une géométrie qui pourrait améliorer les performances globales du tokamak. Nous n’en sommes pas encore là, mais nous sommes plus proches, et peut-être assez proches. »
Y. Zhai et al, conducteur de câble HTS pour solénoïdes tokamak à fusion compacte, Transactions IEEE sur la supraconductivité appliquée (2022). DOI : 10.1109/TASC.2022.3167343