Path to Fusion Power oppose des lasers géants à des aimants puissants

Le jour où les humains pourront exploiter la même énergie qui éclaire les étoiles pourrait arriver plus tôt que vous ne le pensez - y arriver libérerait une électricité abondante sans émettre de gaz à effet de serre.

Par Will Wade, Jonathan Tirone et David R BakerGraphics par Dave Merrill

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L'humanité est à l'aube de quelque chose de phénoménal : exploiter la même source d'énergie qui illumine les étoiles pour une énergie presque illimitée et sans carbone. Les scientifiques ont récemment prouvé que le rêve — la fusion nucléaire pour la production d'énergie — est possible. Maintenant, passer d'une expérience en laboratoire à la construction d'une usine commerciale sera une course qui opposera des lasers géants à de puissants aimants.

Après des décennies d'expériences, deux conceptions concurrentes d'usines de fusion ont émergé. L'un appelle des lasers à haute intensité pour déclencher une série de réactions qui claquent les atomes plusieurs fois par seconde. L'autre utiliserait des aimants super puissants pour contenir un nuage de plasma qui brûle plus chaud que le soleil. Alors que les lasers ont été utilisés dans la récente percée, de nombreux experts sont sceptiques quant aux perspectives commerciales. Le meilleur pari, disent-ils, ce sont les aimants.

En décembre, au Lawrence Livermore National Laboratory, une minuscule capsule de carburant, contenant deux formes d'hydrogène, a été soufflée avec des lasers

La réaction de fusion qui en a résulté a généré plus d'énergie que celle fournie par les lasers sur la cible

Les enjeux ne pourraient pas être plus élevés. Si les chercheurs pouvaient faire fonctionner la fusion à grande échelle, cela ouvrirait la porte à des centrales électriques qui fournissent jour et nuit une électricité bon marché et abondante sans émettre de gaz à effet de serre et sans danger de fusion nucléaire. L'idée de recréer les conditions extrêmes des étoiles dans une centrale électrique peut sembler sortir de la science-fiction, et pourtant les experts les plus optimistes disent que nous ne sommes qu'à une dizaine d'années de ce seuil. D'autres scientifiques l'évaluent dans 20 ou 30 ans.

"La fusion a toujours été le prédateur suprême des technologies énergétiques", a déclaré Bob Mumgaard, directeur général de Commonwealth Fusion Systems. "C'est un problème très difficile avec un gros gain."

La course attire déjà les paris de certaines des personnes les plus riches du monde. Jeff Bezos, Bill Gates et Peter Thiel ne sont que trois des milliardaires qui investissent dans les startups. Les investisseurs et les gouvernements ont investi plus de 4,8 milliards de dollars dans des entreprises en quête de fusion, dirigées par Commonwealth Fusion, une startup issue du Massachusetts Institute of Technology qui a décroché 2 milliards de dollars. TAE Technologies a reçu plus de 1,1 milliard de dollars. La Fusion Industry Association suit 33 startups. Quinze se concentrent sur l'approche magnétique, et huit travaillent sur la conception laser. Les autres poursuivent diverses autres technologies.

La route sera longue et compliquée. Les approches laser et magnétique sont toutes deux confrontées à des défis techniques majeurs, à des énigmes scientifiques et à des obstacles financiers. Mais bien faire les choses signifierait une formidable avancée pour le monde. Les défis climatiques à long terme de l'humanité seraient beaucoup plus gérables, et cette réalisation pourrait lancer une nouvelle ère pour l'énergie et la science.

Comment fonctionne la fusion Alors que les centrales nucléaires d'aujourd'hui utilisent la fission, séparant les atomes, la fusion capte l'énergie produite lorsque les atomes fusionnent. La fusion est déjà utilisée pour donner aux armes nucléaires modernes leur pouvoir dévastateur, mais l'objectif est de l'apprivoiser pour la demande énergétique civile.

Ce n'est pas une tâche simple. Cela implique de fonctionner à des températures extrêmement élevées, de contenir la réaction, de capter l'énergie et de le faire tout en générant plus d'électricité que le processus n'en consomme.

La découverte Peu après minuit le 5 décembre, des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie ont concentré le laser le plus puissant du monde sur une pastille de diamant de la taille d'un grain de poivre remplie d'isotopes d'hydrogène. Il a projeté 192 faisceaux en trois impulsions soigneusement modulées.

Les faisceaux ont délivré 2,05 mégajoules d'énergie, déclenchant une réaction qui a fusionné l'hydrogène en hélium et a libéré 3,15 mégajoules dans le processus - la différence, un peu plus d'un mégajoule ou à peu près l'énergie équivalente libérée par une grenade à main. C'était un exploit que les scientifiques poursuivaient depuis des décennies. Le jalon, connu sous le nom de gain d'énergie net, a prouvé que les humains pouvaient débloquer la puissance des étoiles. Mais créer une usine commerciale signifierait devoir générer 1 000 fois cette quantité d'énergie chaque seconde, a déclaré Steven Cowley, directeur du Princeton Plasma Physics Laboratory.

"Construire un système robuste est un défi", a déclaré Cowley.

Laser La méthode laser utilisée au laboratoire de Lawrence Livermore est appelée confinement inertiel. La réaction générée a été incroyablement brève, à peu près autant de temps qu'il faut à la lumière pour parcourir un centimètre. Pour produire de l'énergie 24 heures sur 24, un système de fusion devrait répéter cela encore et encore, jusqu'à 10 fois par seconde.

Ce n'est pas possible avec les systèmes disponibles aujourd'hui, a déclaré Dylan Spaulding, scientifique principal à l'Union of Concerned Scientists, qui a effectué des recherches au laboratoire californien. Le laser du National Ignition Facility de Livermore est si puissant qu'il ne peut être déclenché qu'une fois tous les quelques jours car il génère une chaleur de haute intensité qui peut endommager l'équipement.

"Vous avez tendance à casser beaucoup de choses lorsque vous poussez le système à ses limites", a-t-il déclaré.

Quand la première centrale à fusion fournira-t-elle de l'électricité au réseau ?

Pourtant, ce laser a été construit à l'aide d'une technologie qui date des années 1980, et il y a eu de nombreuses avancées depuis lors. Spaulding est optimiste sur le fait que les ingénieurs peuvent en construire un suffisamment solide et suffisamment durable pour fonctionner au niveau requis pour un système de fusion.

Un plus grand défi est les pastilles de combustible. Le test NIF a utilisé une boule de diamant remplie de deutérium et de tritium, deux isotopes de l'hydrogène. Les responsables du laboratoire ont déclaré qu'il fallait environ sept mois pour produire les composants, puis environ deux semaines pour les assembler. Ils ont refusé de mettre une étiquette de prix sur le travail, mais des experts externes ont estimé qu'ils pourraient coûter de quelques milliers de dollars à 20 000 dollars chacun. C'est beaucoup trop cher pour une usine qui aurait probablement besoin de souffler près d'un million de granulés par jour.

Aimants L'approche concurrente utilise des aimants pour contenir un nuage de plasma surchauffé qui produit des réactions de fusion. Le principal avantage de cette méthode serait qu'une fois ce processus réalisé, le plasma pourrait, en théorie, être maintenu dans un état stable produisant de l'énergie pendant des décennies.

Dans les tokamaks expérimentaux, comme ITER, le plasma de deutérium et de tritium est piégé et maintenu en place principalement par deux champs magnétiques

Plus ce plasma reste stable longtemps, plus la fusion se produit

"L'approche magnétique se prête à une échelle beaucoup plus grande, ce dont vous avez besoin pour une centrale électrique commerciale", a déclaré Adam Stein, directeur de l'innovation dans l'énergie nucléaire au Breakthrough Institute.

Le processus de confinement de l'aimant devrait être si puissant qu'il pourrait contrôler le plasma qui brûle aussi chaud que le soleil. Personne n'a encore réussi à le faire aux températures extrêmes nécessaires pour produire de l'énergie positive, ou pendant de longues périodes, mais les chercheurs progressent. Une grande partie de l'avancée est venue d'une conception dite de tokamak qui remonte à l'Union soviétique. Dans celui-ci, des lasers et de puissants électroaimants sont disposés autour d'un récipient en forme de beignet super refroidi pour maintenir le plasma chauffé en place.

Les entreprises de méthode de fusion poursuivent

Commonwealth Fusion Systems a peut-être relevé l'un des principaux défis, avec un aimant qui, selon lui, est le plus puissant au monde. Il prévoit d'achever en 2026 un système de démonstration utilisant un tokamak qui pourra contenir - pendant 30 secondes à la fois - un plasma chauffé qui produira de l'énergie nette, selon le PDG Mumgaard. Une version commerciale pourrait être prête au début des années 2030, prédit-il.

La conception du tokamak est également au cœur du programme International Thermonuclear Experimental Reactor, ou ITER, dont la construction dans le sud de la France devrait coûter plus de 23 milliards de dollars. Considéré comme le plus grand projet de recherche de l'histoire, il est largement considéré comme le meilleur moyen au monde de démontrer que l'énergie de fusion à grande échelle est possible. Ses 35 pays bailleurs de fonds comprennent la Chine, l'Union européenne, l'Inde, le Japon, la Russie, la Corée du Sud et les États-Unis, tous les pays ayant accès à la propriété intellectuelle créée par ITER.

Le projet a été en proie à des défis inattendus. Alors que les chercheurs commençaient à trier la logistique perturbée par la pandémie, l'invasion de l'Ukraine par la Russie a compliqué l'approvisionnement en composants critiques. En mai, le chef de longue date du projet, Bernard Bigot, est décédé. Puis en décembre, des fissures ont été découvertes dans des composants clés.

La série de mauvaises nouvelles signifie que la première démonstration de fusion d'ITER n'aura pas lieu en 2025 comme prévu. Son nouveau directeur général, Pietro Barabaschi, élabore un nouveau calendrier et un nouveau budget qui devraient être présentés d'ici la fin de l'année.

Route à venirDe nombreux défis demeurent.

L'industrie évalue toujours différents carburants et n'a pas encore choisi celui qui offrira le chemin le plus simple vers une centrale électrique. Commonwealth, ainsi que plusieurs autres sociétés, utilise les mêmes isotopes d'hydrogène qui ont été utilisés dans le test de Livermore, le deutérium et le tritium. D'autres testent des carburants à base de bore.

Commonwealth Fusion Systems, qui construit une centrale électrique tokamak compacte, a levé plus de 1,8 milliard de dollars en 2021

Décider d'une source de combustible aidera également à déterminer quels matériaux sont nécessaires pour les parois du réacteur et d'autres composants. Chaque conception devra résister à une chaleur élevée, mais l'utilisation de deutérium et de tritium signifie également que les entreprises doivent s'attendre à ce que leurs machines deviennent radioactives. Ainsi, bien que la fusion ne produise pas de déchets de combustible usé comme dans la fission, la machine elle-même, lorsqu'elle sera finalement mise hors service, pourrait produire des tonnes de déchets.

Et aucun système n'a encore été construit pour capter l'énergie d'une réaction de fusion et la convertir en électricité.

En fin de compte, la mise au point de toutes les technologies apportera d'énormes récompenses à la planète.

"Nous avons une réelle opportunité climatique", a déclaré Jane Hotchkiss, co-fondatrice et présidente d'Energy for the Common Good, une organisation à but non lucratif située à l'extérieur de Boston, jetant les bases d'une large acceptation sociale de l'énergie de fusion.

Les gens devraient suivre de près les startups d'aujourd'hui, "sachant que même si seulement sept d'entre elles atteignent leurs jalons au cours des 10 prochaines années, ce sera un exploit très impressionnant", a-t-elle déclaré, ajoutant que même si le calendrier peut sembler lent, "toutes ces étapes progressives sont importantes".

Monteuse : Millie Munshi