La barrière thermique Tokamak à économie d’énergie résout le “talon d’Achille” dans la fusion nucléaire

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Les scientifiques ont surmonté l’une des “plus grandes incertitudes” dans le fonctionnement des futurs réacteurs à fusion.

Afin de protéger le plasma de fusion des impuretés dans les parois du réacteur, ce qui réduit considérablement l’efficacité de la génération d’énergie, les chercheurs ont pu créer un environnement qui optimise la fine barrière thermique qui l’entoure.

“On ne peut pas souligner à quel point il est important que le plasma soit capable, dans les bonnes conditions, de présenter spontanément ce phénomène de” dépistage “des impuretés”, Anthony Field, scientifique principal de l’étude publiée dans la revue la fusion nucléaire en janvier, dit Newsweek.

Cette découverte démontre comment les réactions de fusion peuvent être rendues plus efficaces dans de bonnes conditions, ce qui sera important dans le développement des futurs réacteurs de fusion nucléaire à grande échelle, y compris le réacteur ITER, qui vise à être le plus grand réacteur de fusion de son genre, qui est actuellement en construction en France.

La fusion nucléaire est une technologie qui crée de l’énergie de la même manière que le soleil : elle se produit lorsque deux atomes sont poussés ensemble avec une telle force qu’ils se combinent en un seul atome plus gros et libèrent d’énormes quantités d’énergie dans le processus.

Contrairement à la fission nucléaire, la réaction nucléaire actuellement utilisée dans le secteur de l’énergie, la fusion ne crée pas de déchets radioactifs. Elle produit trois à quatre fois plus d’énergie que la fission, selon les estimations du Département américain de l’énergie, et ne libère pas de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, comme la combustion des combustibles fossiles. De plus, la fusion est un processus très fragile qui s’arrêtera en une fraction de seconde si les bonnes conditions ne sont pas maintenues. Par conséquent, il n’y a aucun risque de fusion nucléaire de cette réaction.

Il y a cependant un problème : la fusion nécessite de grandes quantités d’énergie pour atteindre les conditions requises, et jusqu’à présent, nous n’avons pas réussi à obtenir beaucoup plus d’énergie d’une réaction de fusion que ce que nous avons mis en place. Dans l’ensemble du secteur, l’accent est donc mis sur la rationalisation et l’efficacité de la réaction afin de minimiser les déchets et de maximiser les gains énergétiques.

La percée a été réalisée par des membres de l’Autorité de l’énergie atomique du Royaume-Uni (UKAEA) et du consortium EUROfusion travaillant à l’usine Joint European Torus (JET) dans l’Oxfordshire sur le campus de Culham de l’UKAEA.

L’usine utilise une machine appelée tokamak toroïdal, un engin en forme de beignet qui utilise de puissants aimants pour contenir un flux annulaire de plasma super chaud.

Le plasma est le prochain état de la matière après les solides, les liquides et les gaz. C’est comme une flamme mais beaucoup plus chaud. Le plasma se forme à des températures très élevées et est essentiellement une soupe d’électrons chargés négativement et d’ions chargés positivement d’éléments qui ont été séparés par la température extrêmement chaude.

La saveur de la fusion utilisée à l’usine JET consiste à frapper ensemble des atomes d’hydrogène jusqu’à ce qu’ils fusionnent (bien que différentes méthodes de fusion puissent utiliser différents éléments dans cette réaction).

Votre atome d’hydrogène standard contient une particule chargée positivement, appelée proton, et une particule chargée négativement, un électron. Lorsque les atomes d’hydrogène sont surchauffés dans un plasma, ils sont séparés de leurs électrons et deviennent des particules chargées positivement, appelées ions, qui se repoussent.

Au soleil, des forces gravitationnelles intenses créent des pressions extrêmement élevées qui surmontent cette répulsion. Mais de telles pressions élevées sont presque impossibles à reproduire sur Terre. Par conséquent, nous devons chauffer le plasma à une température encore plus élevée – dans le cas de JET, 10 fois plus chaude que le centre du soleil – pour que ces particules fusionnent réellement.

Pour résister à ces températures intenses, les métaux utilisés pour tapisser les parois intérieures de la machine doivent avoir un point de fusion incroyablement élevé. La partie du réacteur qui entre en contact direct avec le plasma s’appelle le divertor, qui est en quelque sorte un système d’échappement pour la chambre de réaction. C’est ce composant de la machine qui doit être le plus résistant aux hautes températures du plasma de fusion.

“Le tungstène est utilisé comme matériau pour les cibles du divertor […] car il a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux, à 3 400 C [6,152 F]”, a déclaré Field, physicien principal à l’UKAEA.

Cependant, le tungstène présente ses propres problèmes, décrits comme son «talon d’Achille» par l’UKAEA: lorsque le plasma chaud est autorisé à interagir avec les parois du divertor, le tungstène peut perdre certains de ses électrons et être balayé dans le plasma.

Parce que les atomes de tungstène sont si lourds – chaque atome contient 74 protons et 74 électrons – il est très difficile d’arracher tous leurs électrons. C’est un problème car les électrons qui restent liés au tungstène peuvent retirer de l’énergie aux électrons du plasma, ce qui rend le processus global beaucoup plus difficile à maintenir. Et, s’il est plus difficile à maintenir, cela compromet la capacité d’obtenir une quantité suffisante d’énergie de la réaction pour dépasser la quantité qui a été mise en place.

“S’il y a plus qu’une infime quantité de tungstène dans le plasma confiné, il devient impossible de maintenir [the reaction]”, a déclaré Champ.

Cela peut être évité si une barrière est produite autour de l’extérieur du plasma, ce qui peut empêcher les impuretés de tungstène de pénétrer à l’intérieur en premier lieu.

Il y a des décennies, on a émis l’hypothèse qu’une chute extrême de température entre le cœur du plasma et les parois du déflecteur pourrait agir comme une sorte de “barrière thermique” pour protéger le plasma de ce type de contamination. Maintenant, Field et son équipe ont montré que la théorie fonctionne réellement dans la pratique, au niveau de la barrière thermique qui se forme autour du bord du plasma.

“Comme ce phénomène de criblage d’impuretés avait été prédit mais jamais observé auparavant dans un tokamak réel au bord du plasma, cette découverte a été une surprise très excitante”, a déclaré Field.

“Cette observation apaise nos inquiétudes concernant l’une des plus grandes incertitudes entourant le fonctionnement d’un futur réacteur à fusion tokamak”, a-t-il ajouté.

“La barrière thermique est une fine couche isolante d’écoulement fortement cisaillé d’environ 2 à 3 centimètres [roughly an inch] à travers, qui se forme juste à l’intérieur du bord du plasma. Le mécanisme est analogue à la façon dont le “Jet Stream” dans la haute atmosphère empêche les tourbillons d’air plus froid des régions arctiques de descendre dans les zones tempérées et vice versa.”

Pour que cette barrière thermique filtre efficacement les impuretés, il doit y avoir une différence de température suffisamment importante entre le plasma confiné et le bord du plasma, ce qui, selon Field, était « équivalent à 22 millions de degrés Celsius sur l’épaisseur d’une fenêtre à triple vitrage !

Field a déclaré que la confirmation de cette hypothèse était une étape importante vers le “Saint Graal” de la production d’énergie par fusion.

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