Un moment de transition et de potentiel pour l'énergie de fusion

Pendant des siècles, les humains ont rêvé de exploiter la puissance du soleil pour dynamiser nos vies ici sur Terre. Mais nous voulons aller au-delà de la collecte de l'énergie solaire, et un jour générer notre propre à partir d'un mini-soleil. Si nous sommes capables de résoudre un ensemble extrêmement complexe de problèmes scientifiques et techniques, l'énergie de fusion promet une vert, sûr, source d'énergie illimitée. De juste un kilogramme de deutérium extrait de l'eau par jour pourrait venir assez d'électricité pour alimenter des centaines de milliers de maisons.

Depuis les 1950, la recherche scientifique et technique a généré d'énormes progrès forcer les atomes d'hydrogène à fusionner ensemble dans une réaction auto-entretenue - ainsi que d'un petit mais démontrable de l'énergie de fusion. Sceptiques et partisans Notez les deux défis les plus importants restant: maintenir les réactions sur de longues périodes de temps et concevoir une structure matérielle pour exploiter l'énergie de fusion pour l'électricité.

En tant que chercheurs de la fusion au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton, nous savons que de façon réaliste, la première centrale électrique à fusion commerciale est encore au moins 25 ans. Mais le potentiel pour ses avantages surdimensionnés pour arriver dans la deuxième moitié de ce siècle signifie que nous devons continuer à travailler. Des démonstrations majeures de faisabilité de la fusion peuvent être accomplies plus tôt - et doivent, de sorte que la puissance de fusion puisse être incorporée dans la planification de notre futur énergétique.

Contrairement à d'autres formes de production d'électricité, comme le solaire, le gaz naturel et la fission nucléaire, la fusion ne peut pas être développée en miniature et ensuite être simplement agrandie. Les étapes expérimentales sont grandes et prennent du temps à construire. Mais le problème de l'énergie abondante et propre sera un appel majeur pour l'humanité pour le siècle prochain et au-delà. Il serait imprudent de ne pas exploiter pleinement cette source d'énergie la plus prometteuse.

Pourquoi la puissance de fusion?

En fusion, deux noyaux de l'atome d'hydrogène (isotopes du deutérium et du tritium) fondre. Ceci est relativement difficile à faire: les deux noyaux sont chargés positivement, et donc se repoussent. Ce n'est que s'ils se déplacent extrêmement rapidement lorsqu'ils entrent en collision qu'ils vont se briser, se fondre et ainsi libérer l'énergie que nous recherchons.


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Cela arrive naturellement au soleil. Ici sur Terre, nous utilisons des aimants puissants pour contenir un gaz extrêmement chaud de noyaux de deutérium et de tritium électriquement chargés et d'électrons. Ce gaz chaud et chargé est appelé un plasma.

Le plasma est si chaud - plus de 100 millions de degrés Celsius - que les noyaux chargés positivement se déplacent assez rapidement pour surmonter leur répulsion électrique et leur fusible. Lorsque les noyaux fusionnent, ils forment deux particules énergétiques - une particule alpha (le noyau de l'atome d'hélium) et un neutron.

Chauffer le plasma à une température aussi élevée demande une grande quantité d'énergie - qui doit être mise dans le réacteur avant que la fusion puisse commencer. Mais une fois que cela se produit, la fusion a le potentiel de générer suffisamment d'énergie pour maintenir sa propre chaleur, ce qui nous permet d'extraire l'excès de chaleur pour la transformer en électricité utilisable.

Le carburant pour la fusion est abondant dans la nature. Le deutérium est abondant dans l'eau, et le réacteur lui-même peut faire du tritium à partir de lithium. Et il est disponible pour toutes les nations, principalement indépendant des ressources naturelles locales.

La puissance de fusion est propre. Il n'émet aucun gaz à effet de serre et ne produit que de l'hélium et un neutron.

C'est sûr. Il y a pas de possibilité de réaction d'emballement, comme une «fusion» de fission nucléaire. Au contraire, s'il y a un dysfonctionnement, le plasma se refroidit et les réactions de fusion cessent.

Tous ces attributs ont motivé la recherche depuis des décennies et sont devenus encore plus attrayants au fil du temps. Mais les points positifs sont compensés par le défi scientifique important de la fusion.

Progrès à ce jour

Les progrès de la fusion peuvent être mesurés de deux manières. Le premier est l'énorme progrès dans la compréhension de base des plasmas à haute température. Les scientifiques ont dû développer un nouveau domaine de la physique - physique du plasma - concevoir des méthodes pour confiner le plasma dans des champs magnétiques puissants, puis faire évoluer les capacités à chauffer, stabiliser, contrôler la turbulence et mesurer les propriétés du plasma superhot.

La technologie connexe a également progressé énormément. Nous avons poussé les frontières dans les aimants, et les sources d'ondes électromagnétiques et les faisceaux de particules à contenir et chauffer le plasma. Nous avons également développé des techniques pour que les matériaux peuvent résister à la chaleur intense du plasma dans les expériences actuelles.

Il est facile de communiquer les mesures pratiques qui suivent la progression de la fusion vers la commercialisation. Le principal d'entre eux est la puissance de fusion générée dans le laboratoire: la génération de puissance de fusion est passée de quelques milliwatts en microsecondes aux 1970 à une puissance de fusion en mégawatts 10 (au Laboratoire de physique du plasma de Princeton) et 16 mégawatts pour une seconde (au Joint European Torus en Angleterre) dans les 1990.

Un nouveau chapitre de la recherche

Aujourd'hui, la communauté scientifique internationale travaille de concert à la construction d'un centre de recherche sur la fusion massive en France. Appelé ITER (Latin pour "le chemin"), cette plante va générer environ 500 mégawatts de puissance de fusion thermique pendant environ huit minutes à la fois. Si cette puissance était convertie en électricité, elle pourrait alimenter les maisons 150,000. À titre expérimental, cela nous permettra de tester des questions scientifiques et techniques clés en vue de la préparation de centrales électriques à fusion qui fonctionneront en continu.

ITER utilise la conception connue sous le nom de «tokamak, "À l'origine un acronyme russe. Il s'agit d'un plasma en forme de beignet, confiné dans un très fort champ magnétique, qui est en partie créé par le courant électrique qui circule dans le plasma lui-même.

Bien qu'il soit conçu comme un projet de recherche et qu'il ne soit pas destiné à être un producteur net d'énergie électrique, ITER produira 10 fois plus d'énergie de fusion que les mégawatts 50 nécessaires pour chauffer le plasma. C'est une étape scientifique énorme, créant le premier "plasma brûlant», Dans lequel la plus grande partie de l'énergie utilisée pour chauffer le plasma provient de la réaction de fusion elle-même.

ITER est soutenu par les gouvernements représentant la moitié de la population mondiale: La Chine, l'Union européenne, l'Inde, le Japon, la Russie, la Corée du Sud et les États-Unis. Il s'agit d'une déclaration internationale forte sur la nécessité et la promesse de l'énergie de fusion.

La route vers l'avant

De là, le chemin restant vers la puissance de fusion a deux composantes. Premièrement, nous devons continuer la recherche sur le tokamak. Cela signifie faire avancer la physique et l'ingénierie afin que nous puissions maintenir le plasma dans un état stable pendant des mois à la fois. Nous devrons développer des matériaux capables de supporter une quantité de chaleur égale à un cinquième du flux de chaleur à la surface du soleil pendant de longues périodes. Et nous devons développer des matériaux qui vont couvrir le cœur du réacteur pour absorber les neutrons et produire du tritium.

Le deuxième volet sur la voie de la fusion consiste à développer des idées qui renforcent l'attractivité de la fusion. Quatre de ces idées sont:

1) En utilisant des ordinateurs, optimisez les conceptions de réacteurs de fusion dans les contraintes de la physique et de l'ingénierie. Au-delà de ce que les humains peuvent calculer, ces conceptions optimisées produisent formes de beignets torsadés qui sont très stables et peuvent fonctionner automatiquement pendant des mois. Ils sont appelés "stellarators" dans le secteur de la fusion.

2) Développer de nouveaux aimants supraconducteurs à haute température qui peuvent être plus forts et plus petits que le meilleur du jour. Cela nous permettra de construire des réacteurs de fusion plus petits et probablement moins chers.

3) En utilisant du métal liquide, plutôt qu'un solide, comme matériau entourant le plasma. Les métaux liquides ne se brisent pas, offrant une solution possible à l'immense défi que peut poser un matériau environnant lorsqu'il entre en contact avec le plasma.

4) systèmes de construction qui contiennent des plasmas en forme de beignet avec pas de trou dans le centre, formant un le plasma en forme presque comme une sphère. Certaines de ces approches pourraient également fonctionner avec un champ magnétique plus faible. Celles-ci "tori compact"Et" faible champ "approches offrent également la possibilité de réduire la taille et le coût.

Programmes de recherche parrainés par le gouvernement autour du monde sont à l'œuvre sur les éléments des deux composants - et aboutiront à des résultats qui profitent à toutes les approches de l'énergie de fusion (ainsi que notre compréhension des plasmas dans le cosmos et l'industrie). Dans les années passées 10 à 15, les sociétés à capital privé ont également rejoint l'effort, en particulier à la recherche de tori compact et de percées à faible champ. Des progrès sont à venir et cela apportera une énergie abondante, propre et sûre.

The Conversation

A propos de l'auteur

Stewart Prager, professeur de sciences astrophysiques, ancien directeur du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton, L'Université de Princeton et Michael C. Zarnstorff, directeur adjoint de la recherche, Laboratoire de physique des plasmas de Princeton, L'Université de Princeton

Cet article a été publié initialement le The Conversation. Lis le article original.

[Note de l'éditeur: Voici un message d'avertissement concernant l'énergie de fusion.]

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