En France, un tokamak a atteint un nouveau record de fusion de plasma en utilisant du tungstène pour envelopper sa réaction. Le dispositif a maintenu un plasma de fusion chaud d'environ 50 millions de degrés Celsius pendant une durée record de six minutes, avec une puissance injectée de 1,15 gigajoule, soit 15 % d'énergie en plus et une densité deux fois plus élevée qu'auparavantSelon Sam Altman, PDG d'OpenAI, une percée dans la fusion nucléaire est nécessaire pour faire face aux besoins énergétiques croissants de l'IA et réduire son empreinte carbone. Pour rappel la fusion nucléaire dégage une quantité d’énergie colossale. Elle pourrait être utilisée pour la production d'électricité. Toutefois, les experts affirment que la fusion nucléaire est hors de portée à l'heure actuelle. Les ingénieurs se heurtent à la difficulté de créer et de maintenir une température de plusieurs millions de degrés dans un espace confiné.
Des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du ministère américain de l'énergie ont mesuré un nouveau record pour un dispositif de fusion revêtu intérieurement de tungstène, l'élément qui pourrait être le mieux adapté aux machines commerciales nécessaires pour faire de la fusion une source d'énergie viable pour le monde.
Le dispositif a maintenu un plasma de fusion chaud d'environ 50 millions de degrés Celsius pendant une durée record de six minutes, avec une puissance injectée de 1,15 gigajoule, soit 15 % d'énergie en plus et une densité deux fois plus élevée qu'auparavant. Le plasma devra être à la fois chaud et dense pour générer une énergie fiable pour le réseau.
Le record a été établi dans un dispositif de fusion connu sous le nom de WEST, le tokamak de tungstène (W) Environment in Steady-state, qui est exploité par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA). PPPL travaille depuis longtemps en partenariat avec WEST, qui fait partie du groupe de l'Agence internationale de l'énergie atomique pour la coordination des défis internationaux en matière d'exploitation à long terme (CICLOP). Cette étape représente un pas important vers les objectifs du programme CICLOP.
"Nous devons fournir une nouvelle source d'énergie, et cette source doit être continue et permanente", a déclaré Xavier Litaudon, scientifique au CEA et président du CICLOP. M. Litaudon a déclaré que les travaux du PPPL à WEST en sont un excellent exemple. "Ce sont des résultats magnifiques. Nous avons atteint un régime stationnaire malgré un environnement difficile en raison de ce mur de tungstène".
Rémi Dumont, chef du groupe Expérimentation et développement des plasmas de l'Institut de recherche sur la fusion magnétique du CEA (Link is external), a été le coordinateur scientifique de l'expérience, qu'il a qualifiée de "résultat spectaculaire".
Les chercheurs du PPPL ont utilisé une nouvelle approche pour mesurer plusieurs propriétés du rayonnement du plasma. Ils ont utilisé un détecteur de rayons X spécialement adapté, fabriqué à l'origine par DECTRIS, un fabricant d'électronique, puis intégré au tokamak WEST, une machine qui confine le plasma - le quatrième état ultra-chaud de la matière - dans un récipient en forme de beignet à l'aide de champs magnétiques.
"Le groupe de radiologie du département des projets avancés du PPPL développe tous ces outils innovants pour les tokamaks et les stellarators du monde entier", a déclaré Luis Delgado-Aparicio, chef des projets avancés du PPPL et responsable scientifique de la recherche en physique et du projet de détecteur de rayons X. "Ce projet est un exemple parmi d'autres de nos forces en matière de diagnostic : des outils de mesure spécialisés utilisés, dans ce cas, pour caractériser les plasmas de fusion chauds."
"La communauté de la fusion des plasmas a été l'une des premières à tester la technologie de comptage de photons hybrides pour surveiller la dynamique des plasmas", a déclaré Nicolas Pilet, responsable des ventes chez DECTRIS. "Aujourd'hui, WEST a obtenu des résultats sans précédent et nous tenons à féliciter l'équipe pour son succès. La fusion des plasmas est un domaine scientifique fascinant et prometteur pour l'humanité. Nous sommes extrêmement fiers de contribuer à ce développement avec nos produits, et nous sommes ravis de notre excellente collaboration."
Les scientifiques du monde entier essaient différentes méthodes pour extraire de manière fiable la chaleur du plasma pendant qu'il subit une réaction de fusion. Mais cela s'est avéré particulièrement difficile, notamment parce que le plasma doit être confiné suffisamment longtemps pour que le processus soit rentable à des températures bien plus élevées qu'au centre du soleil.
Une version précédente de l'appareil - Tore Supra - a permis d'obtenir une réaction un peu plus longue, ou tir, mais à l'époque, l'intérieur de la machine était constitué de tuiles de graphite. Si le carbone facilite l'environnement pour les tirs de longue durée, il n'est peut-être pas adapté à un réacteur à grande échelle car il a tendance à retenir le combustible dans la paroi, ce qui est inacceptable dans un réacteur où la récupération efficace du tritium de la chambre du réacteur et sa réintroduction dans le plasma sont primordiales. Le tungstène présente l'avantage de retenir beaucoup moins de combustible, mais si des quantités infimes de tungstène pénètrent dans le plasma, le rayonnement du tungstène peut refroidir rapidement le plasma.
"L'environnement des parois en tungstène est beaucoup plus difficile à gérer que celui du carbone", a déclaré M. Delgado-Aparicio. "C'est tout simplement la différence entre essayer d'attraper son chaton à la maison et essayer de caresser le lion le plus sauvage."
Nouvelles approches de diagnostic pour mesurer le tir
Le tir a été mesuré à l'aide d'une nouvelle approche mise au point par les chercheurs du PPPL. Le matériel de l'outil de mesure, ou diagnostic, a été fabriqué par DECTRIS et modifié par Luis Delgado-Aparicio et d'autres membres de son équipe de recherche, dont Tullio Barbui, Oulfa Chellai et Novimir Pablant, chercheurs au PPPL. "Le diagnostic mesure essentiellement le rayonnement X produit par le plasma", explique M. Barbui à propos de l'appareil, connu sous le nom de caméra à rayons X doux multi-énergie (ME-SXR). "Grâce à la mesure de ce rayonnement, nous pouvons déduire des propriétés très importantes du plasma, telles que la température des électrons dans le véritable cœur du plasma, là où il est le plus chaud".
Le diagnostic DECTRIS peut normalement être configuré avec tous les pixels réglés sur le même niveau d'énergie. Le PPPL a mis au point une nouvelle technique d'étalonnage qui lui permet de régler l'énergie indépendamment pour chaque pixel.
Selon M. Barbui, cette approche présente des avantages par rapport à la technique existante utilisée dans WEST, qui peut être difficile à calibrer et qui génère des lectures parfois affectées par les ondes de radiofréquence utilisées pour chauffer le plasma. "Les ondes de radiofréquence ne gênent pas notre diagnostic", a déclaré M. Barbui.
"Pendant les six minutes de la prise de vue, nous avons pu mesurer très précisément la température de l'électron central. Elle était dans un état très stable d'environ 4 kilovolts. C'est un résultat assez remarquable", a-t-il ajouté.
Recherche de la lumière aux bons niveaux d'énergie
Le diagnostic recherche la lumière provenant d'un type spécifique de rayonnement connu sous le nom de Bremsstrahlung, qui est produit lorsqu'un électron change de direction et ralentit. Le défi initial consistait à déterminer les fréquences de la lumière de Bremsstrahlung à rechercher, car le plasma et les parois de tungstène peuvent tous deux émettre ce type de rayonnement, mais les mesures doivent se concentrer sur le plasma. "La bande d'énergie des photons entre 11 et 18 kiloélectronvolts (keV) nous a offert une belle fenêtre d'opportunité à partir de l'émission du noyau, jamais explorée auparavant, et a donc influencé notre décision d'échantillonner soigneusement cette gamme", a déclaré Delgado-Aparicio.
"Normalement, lorsque cette technique est appliquée, seules deux mesures sont effectuées. C'est la première fois que nous prenons une série de mesures", a ajouté M. Barbui.
Delgado-Aparicio a également souligné que "l'étalonnage spécial de notre détecteur nous a permis d'obtenir des lectures pour chaque niveau d'énergie entre 11 et 18 keV, pour chaque ligne de visée de la caméra, tout en échantillonnant l'ensemble de la section transversale". Environ 10 mesures sont effectuées par seconde. L'astuce consiste à utiliser l'intensité de l'énergie la plus basse de 11 keV comme niveau de référence, et les mesures des sept autres intensités sont comparées à la mesure initiale. En fin de compte, ce processus produit sept relevés de température simultanés par ligne de visée, d'où la grande précision de la mesure. "Cette capacité innovante est maintenant prête à être exportée vers de nombreuses machines aux États-Unis et dans le monde entier", a déclaré M. Delgado-Aparicio.
"À partir des huit mesures d'intensité différentes, nous avons obtenu la meilleure adéquation, à savoir entre 4 et 4,5 kilovolts pour le plasma central. Cela représente près de 50 millions de degrés et jusqu'à six minutes", a déclaré M. Delgado-Aparicio.
Les mesures diagnostiques peuvent être utilisées non seulement pour calculer la température des électrons dans le plasma, mais aussi la charge du plasma et la densité des impuretés dans le plasma, qui est principalement constitué de tungstène ayant migré depuis les parois du tokamak.
"Ce système est le premier de ce type à offrir une discrimination énergétique. En tant que tel, il peut fournir des informations sur la température et de nombreux détails sur la teneur précise en impuretés - principalement du tungstène - dans la décharge, qui est une quantité cruciale pour fonctionner dans tout environnement métallique. C'est spectaculaire", a déclaré M. Dumont. Bien que ces données puissent être déduites de plusieurs autres diagnostics et étayées par une modélisation, M. Dumont a qualifié cette nouvelle méthode de "plus directe".
Selon M. Barbui, le diagnostic peut permettre de recueillir encore plus d'informations dans le cadre d'expériences futures. "Ce détecteur a la capacité unique de pouvoir être configuré pour mesurer le même plasma avec autant d'énergies que l'on veut", a déclaré M. Barbui. "Nous avons choisi huit énergies, mais nous aurions pu en choisir 10 ou 15."
M. Litaudon s'est dit heureux de disposer d'un tel diagnostic pour le programme CICLOP. "En fait, cette caméra à résolution énergétique ouvrira une nouvelle voie en termes d'analyse", a-t-il déclaré. "Il est extrêmement difficile d'exploiter une installation dotée d'une paroi en tungstène. Mais grâce à ces nouvelles mesures, nous pourrons mesurer le tungstène à l'intérieur du plasma et comprendre le transport du tungstène de la paroi vers le cœur du plasma."
Selon M. Litaudon, cela pourrait les aider à minimiser la quantité de tungstène dans le cœur du plasma afin de garantir des conditions de fonctionnement optimales pour la fusion. "Grâce à ces diagnostics, nous pouvons comprendre ce problème et aller à la racine de la physique, tant pour les mesures que pour les simulations."
Les calculs informatiques intensifs effectués par M. Dumont, Pierre Manas et Theo Fonghetti du CEA ont également confirmé la bonne concordance entre les simulations pertinentes et les mesures rapportées par l'équipe du PPPL.
M. Dumont a également souligné que la caméra ME-SXR s'appuie sur l'important travail de diagnostic réalisé par le laboratoire à WEST. "Le ME-SXR n'est qu'une partie d'une contribution plus globale de diagnostics du PPPL au CEA/WEST", a déclaré M. Dumont, en mentionnant la caméra à rayons X durs et le spectromètre cristallin d'imagerie à rayons X. "Cette collaboration nous aide beaucoup. Grâce à cette combinaison de diagnostics, nous serons en mesure d'effectuer des mesures très précises dans le plasma et de le contrôler en temps réel".
À propos du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Le CEA éclaire la décision publique et apporte des solutions scientifiques et technologiques concrètes aux forces vives (entreprises et collectivités) dans les grands domaines sociétaux : transitions énergétique et numérique, santé du futur, défense et sécurité globale. Le CEA mène des activités de recherche fondamentale dans les domaines des biotechnologies et de la santé, de la science des matériaux et de l'Univers, de la physique et des nanosciences. L'Institut de recherche sur la fusion magnétique (IRFM) est un acteur clé dans le domaine de la recherche sur la fusion magnétique en Europe, opérant sous l'égide du CEA au Centre de Cadarache. Avec plus de 200 experts, l'IRFM est très impliqué dans le soutien du projet ITER, l'opération JT-60SA, et l'avancement de la recherche sur la fusion par confinement magnétique au sein du consortium EUROfusion. Sa stratégie englobe un large éventail d'activités visant à préparer l'exploitation des dispositifs de fusion de la prochaine génération et à contribuer aux efforts de la communauté mondiale de la recherche sur la fusion en vue de mettre au point une centrale électrique de fusion.
Source : CEA
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Envoyé par sequevyni
