- Le dispositif expérimental de fusion nucléaire Wendelstein 7-X, à Greifswald, a atteint 1,3 gigajoule d’énergie transférée après sa remise en service à l’automne 2022, dépassant l’objectif de 1 gigajoule fixé pour 2023
- Cette valeur, enregistrée le 15 février 2023, est 17 fois supérieure au précédent record avant modification, de 75 mégajoules, ce qui montre l’effet des travaux d’achèvement de l’installation
- L’énergie transférée correspond au produit de la puissance de chauffage couplée au plasma par la durée de la décharge ; lors de cette expérience, le plasma a été maintenu pendant 480 secondes avec une puissance moyenne de 2,7 mégawatts
- Les trois années de travaux d’achèvement ont ajouté un système de refroidissement par eau aux éléments de paroi et amélioré le système de chauffage, permettant de coupler au plasma deux fois plus de puissance qu’auparavant
- Le prochain objectif est de porter cette valeur à 18 gigajoules d’ici quelques années et de maintenir le plasma de manière stable pendant 30 minutes
Record de décharge de 8 minutes et de 1,3 gigajoule
- Wendelstein 7-X a dépassé l’objectif de 1 gigajoule d’énergie transférée fixé pour 2023 pour atteindre 1,3 gigajoule
- Lors de l’expérience du 15 février 2023, il a enregistré une valeur 17 fois supérieure au précédent record avant modification, de 75 mégajoules
- L’énergie transférée se calcule en multipliant la puissance de chauffage couplée au plasma par la durée de la décharge
- Pour exploiter une centrale, il faut pouvoir coupler une grande quantité d’énergie au plasma sur une longue durée, tout en évacuant simultanément la chaleur produite
Parois refroidies par eau et mise à niveau du système de chauffage
- Wendelstein 7-X a fait l’objet de trois années de travaux d’achèvement, qui se sont poursuivis jusqu’à l’été 2022
- Les principales modifications sont le refroidissement par eau des éléments de paroi et la mise à niveau du système de chauffage
- Le système de chauffage amélioré peut coupler au plasma deux fois plus de puissance qu’auparavant
- Depuis l’achèvement de l’installation, Wendelstein 7-X peut fonctionner sur une plage de paramètres plus large
- Thomas Klinger, de l’IPP, a indiqué qu’il fallait progresser vers des valeurs d’énergie plus élevées, mais par étapes, afin de ne pas surcharger ni endommager l’installation
Structure du divertor chargée d’évacuer la chaleur
- Wendelstein 7-X utilise des plaques déflectrices de divertor particulièrement résistantes à la chaleur afin d’évacuer les flux thermiques les plus importants
- Ces plaques font partie de la paroi interne et sont refroidies, depuis l’achèvement de l’installation, par un système de tuyauterie d’eau de 6,8 km
- Aucune autre installation de fusion dans le monde ne dispose actuellement d’un refroidissement aussi complet de l’ensemble de sa paroi interne que Wendelstein 7-X
- Les images infrarouges montrent non pas le plasma lui-même, mais la distribution de température des plaques déflectrices de divertor refroidies par eau
- La ligne centrale où le plasma touche le divertor apparaît comme la strike line
- Certaines zones atteignent jusqu’à 600 °C
- Les tuiles du divertor peuvent supporter jusqu’à 1 200 °C
Conditions de chauffage ayant permis une décharge de 480 secondes
- Le chauffage du plasma de Wendelstein 7-X repose sur trois composants
- Le chauffage ionique nouvellement installé
- Le chauffage par injection de particules neutres
- Le chauffage électronique par micro-ondes
- Pour ce record, le système de chauffage électronique par micro-ondes a été particulièrement important
- Ce système peut fournir une forte puissance pendant plusieurs minutes
- Les 1,3 gigajoule d’énergie transférée ont été atteints avec une puissance de chauffage moyenne de 2,7 mégawatts
- La décharge du plasma a duré 480 secondes, soit 8 minutes
- C’est un nouveau record de durée de décharge pour Wendelstein 7-X
- C’est aussi l’une des meilleures valeurs au niveau mondial
- Avant les travaux d’achèvement, la durée maximale de plasma de Wendelstein 7-X était de 100 secondes, avec une puissance de chauffage nettement plus faible
Objectif de 18 gigajoules et recherche sur les stellarators
- Wendelstein 7-X vise à porter l’énergie transférée à 18 gigajoules d’ici quelques années
- Pour cet objectif, le plasma devra être maintenu de manière stable pendant 30 minutes
- La recherche sur la fusion nucléaire vise à développer des centrales respectueuses du climat et de l’environnement, en produisant de l’énergie par fusion de noyaux atomiques, comme dans le Soleil
- Le Max Planck Institute for Plasma Physics étudie la voie de la fusion par confinement magnétique
- Les réactions de fusion ne s’amorcent qu’à plus de 100 millions de degrés Celsius
- Le combustible, un plasma d’hydrogène ténu, ne doit pas entrer en contact avec les parois froides du récipient
- Le plasma piégé par le champ magnétique flotte presque sans contact à l’intérieur de la chambre à vide
- La cage magnétique de Wendelstein 7-X est formée par un anneau de 50 bobines magnétiques supraconductrices
- Cette installation est de type stellarator ; la forme particulière de ses bobines résulte de calculs d’optimisation sophistiqués
- Grâce à ces bobines, l’objectif est de porter la qualité de confinement du plasma du stellarator au niveau de celle de l’approche concurrente, les installations de type tokamak
1 commentaires
Avis de Hacker News
Ah, Wendelstein, c’était donc ce réacteur à fusion stellarator. Les stellarators sont une conception vraiment élégante, et une alternative aux tokamaks.
Un tokamak est un réacteur en forme de beignet, mais il a un problème : le plasma du côté extérieur de l’anneau est moins bien confiné magnétiquement. Un stellarator est similaire, mais il confine le plasma comme un ruban, replié dans une configuration de type ruban de Möbius.
Je m’intéressais pas mal à ce domaine autrefois, puis je l’avais oublié au fil des années. C’est réjouissant de voir que ça fonctionne réellement.
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator
Je me souviens encore du moment où j’ai assez bien compris les radians pour vraiment comprendre les cercles et les formes d’onde. Pendant des années, je ne faisais que résoudre des exercices sans savoir ce que je faisais, puis, d’un coup, quand j’ai compris, j’ai eu l’impression que quelque chose avait changé dans ma tête.
J’aimerais penser comme un ruban de Möbius, mais là mon cerveau est plutôt en mode « non merci ».
Plus intéressant encore : le fusor, qui est sans doute la conception la plus simple possible pour un réacteur thermonucléaire, semble avoir été inventé après le stellarator et le tokamak. C’est assez simple pour être construit relativement facilement si l’on est compétent en génie électrique et que l’on a accès au bon matériel civil.
Cela dit, personnellement, je n’ai jamais beaucoup aimé la conception du stellarator. Sa complexité elle-même me donne vaguement l’impression qu’on pousse encore plus loin dans une mauvaise direction.
Mais dans un cas comme celui-ci, j’espère sincèrement qu’on me prouvera que j’ai tort. Ce domaine a besoin d’une grande percée depuis très longtemps.
Le stellarator est, en théorie, une conception supérieure au tokamak, pensée pour compenser la force JxB. Ici, J est le courant qui traverse le plasma et B le champ magnétique qui guide le plasma dans le dispositif.
Si l’on tord le plasma en une hélice telle que la rotation de B, c’est-à-dire une valeur proportionnelle à J, devienne parallèle à B, le produit vectoriel devient nul, et il n’y a donc plus de force magnétohydrodynamique nette exercée sur le plasma.
Les tolérances étaient trop strictes, et elles ont échoué plusieurs fois à rentrer dans les contraintes.
Je me demandais ce que signifiait ici energy turnover.
En cherchant, j’ai trouvé : « Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1]. » Ici, « amount of heat » signifie probablement « puissance de chauffage transmise au plasma ». Pour obtenir des joules en multipliant par le temps, la valeur de départ doit être une puissance.
1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...
Les chiffres indiquent qu’ils ont « maintenu une décharge pendant 480 secondes avec une puissance de chauffage moyenne de 2,7 mégawatts, atteignant un energy turnover de 1,3 gigajoule ».
Il est aussi dit qu’ils prévoient, « d’ici quelques années, de porter l’energy turnover de Wendelstein 7-X à 18 gigajoules et de maintenir le plasma de façon stable pendant 30 minutes ». Autrement dit, cela revient à maintenir 10 mégawatts pendant 30 minutes.
C’est peut-être une question évidente, mais je veux quand même la poser. Comment la puissance électrique produite ici est-elle convertie en électricité utilisable ?
Je sais qu’un réacteur à fission classique fait tourner une turbine à vapeur avec la chaleur de la fission. Mais si le plasma est extrêmement chaud et doit être maintenu en lévitation par un champ magnétique pour ne pas toucher les parois de l’enceinte, comment transfère-t-on cette chaleur à un autre milieu pour produire de l’électricité ?
L’essentiel de l’énergie de la réaction est emporté par des neutrons de haute énergie. Donc, pour récupérer l’énergie, il faut « capturer » ces neutrons. Comme les neutrons n’ont pas de charge, ils ne peuvent pas produire directement de l’électricité ; au final, on ne peut guère les exploiter que sous forme de chaleur.
Le problème est que, précisément parce qu’ils sont électriquement neutres, ils sont aussi relativement difficiles à arrêter. Il faut un matériau dense, où la probabilité de collision avec des noyaux atomiques est élevée. Les conceptions proposées prévoient généralement une couverture de métal liquide circulant autour du réacteur, envoyée ensuite vers un endroit où elle fait bouillir de l’eau, produit de la vapeur et fait tourner une turbine.
Le métal le plus souvent cité est le lithium, qui a aussi l’avantage de pouvoir produire du tritium lorsqu’il est frappé par des neutrons. Le tritium constitue la moitié très rare du combustible de réaction.
Pour ceux qui comprennent l’allemand, je recommande les épisodes du podcast Alternativlos où les animateurs se sont rendus deux fois sur place et ont longuement discuté avec les chercheurs. C’est très « nerds qui parlent entre eux », donc vraiment passionnant si l’on comprend la langue.
https://alternativlos.org/36/ (2016)
https://alternativlos.org/51/ (le plus récent, mai 2023)
Cet appareil n’est pas spécialement configuré pour cela et, à ma connaissance, aucun appareil de ce type n’existe encore. Du point de vue de l’ingénierie, c’est un problème relativement simple, et il n’y a pas vraiment de raison de le construire tant qu’on ne peut pas maintenir la fusion pendant des mois.
Cela dit, l’approche que développe Helion Energy est l’un des concepts de fusion prometteurs qui n’ont pas besoin de tout ce processus. Ils n’ont pas encore produit de puissance nette, mais l’idée a du potentiel et évite des problèmes courants d’autres méthodes de production par fusion. Je ne pense pas que ce soit la solution ultime du domaine, mais elle pourrait assez bien jouer un rôle de transition entre les grands stellarators et la fission.
Cela dit, à ma connaissance, Wendelstein n’est pas configuré pour produire de l’électricité : actuellement, le refroidissement sert littéralement seulement à refroidir.
J’aime vraiment cette équipe. Dans leur plan visant à caractériser et contrôler entièrement le flux de fusion, ils abattent un à un les défis d’ingénierie.
Dans la course vers une centrale à fusion opérationnelle, ils peuvent parfois ressembler à la tortue, mais ils répondent à des questions que les tokamaks n’ont pas encore résolues, comme la gestion de la température des parois et le maintien de la fusion dans le flux[1]. Cela dit, mon biais personnel me place beaucoup plus près du « D » de R&D, donc suivre ITER me donne souvent l’impression d’être face à de la pure « R ».
[1] https://www.iter.org/of-interest/1188
Puisqu’on parle de fusion, quelqu’un sait où en est SPARC de Commonwealth Fusion Systems ?
J’avais de grands espoirs pour leur système, mais je comprends qu’après avoir levé 2 milliards de dollars, ils soient entrés dans un long cycle de développement et de construction. Du coup, au cours de l’année passée, leur page d’actualités n’a surtout publié que des contrats commerciaux et des annonces de prix. J’aimerais savoir comment avance la construction du réacteur.
En gros, ils sont très occupés, mais il faudra probablement encore au moins 3 à 5 ans.
Je suis ce projet depuis 10 ans et je le considère comme une réussite. Mais comment des projets comme celui-ci pourraient-ils avancer plus vite ?
Wendelstein 7-X ne produira pas d’électricité utilisable ; c’est une machine construite comme étape préalable à un réacteur de production.
Les bobines ont des formes très irrégulières et des tolérances serrées, ce qui les rend difficiles à fabriquer ; l’assemblage de la cuve à vide est difficile parce que les bobines couvrent une surface beaucoup plus « vaguement torique » que dans un tokamak.
Il y a actuellement beaucoup de travaux intéressants dans l’optimisation de la conception des stellarators, mais il faudra sans doute longtemps avant que ces recherches soient réalisées sous forme de véritables réacteurs.
Il faudrait davantage de financement dans ce domaine, mais à un moment donné il faut bien construire, et cela prend énormément de temps en soi. La réglementation et la bureaucratie pourraient être améliorées, mais au final il n’y a pas tant de temps que l’on puisse réduire en toute sécurité.
Une fois qu’on aura un modèle fonctionnel, les itérations seront beaucoup plus rapides, mais cela fait des décennies que nous nous heurtons au mur.
Mais malheureusement, une machine qui vaut la peine d’être construite — c’est-à-dire à une échelle pertinente pour un générateur — n’est pas petite. L’entraînement aide.
Pour les germanophones, il y a une recommandation liée à ce sujet
Le podcast Alternativlos de Felix Von Leitner et Frank Rieger s’est rendu deux fois à Greifswald pour interviewer des responsables de Wendelstein. Le premier épisode (http://alternativlos.org/36 , 2016) portait surtout sur le développement, la construction et l’historique du projet ; le second, publié cette année, traite des résultats obtenus et de l’avenir de la fusion (http://alternativlos.org/51/)
J’aimerais poser la question à ceux qui connaissent bien ce domaine : quelles startups de la fusion vous semblent prometteuses ? Que pensez-vous du confinement inertiel ? Et de Blue Laser Fusion, qui vient de lever des fonds ? De l’acteur historique TAE ? De Commonwealth, Helion et des autres ?
https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
Et leur concept est tellement étrange que ça me plaît. Dans le pire des cas, j’ai l’impression qu’il pourrait fonctionner comme propulseur à fusion dans l’espace :)
À mon avis, sans financement public, la plupart risquent fort d’échouer. Sauf miracle où ils auraient vraiment trouvé, dès la première tentative, un mode d’exploitation à très bas coût capable de battre les solutions de production d’électricité actuelles, déjà très optimisées
Dans l’ensemble, Tokamak Energy me semble aussi prometteuse, et je prévois d’y investir
Premièrement, même si une centrale à fusion plus traditionnelle parvenait à produire le plasma lui-même dans un dispositif pas trop coûteux — ce qui est déjà une grosse hypothèse — le mécanisme d’échange thermique lui-même semble devoir être très complexe et coûteux. Et comme il s’agit d’une centrale à machine thermique, cela limite aussi les lieux où elle peut être installée et les échelles économiquement viables
Deuxièmement, à mesure que les émissions de CO2 diminueront, on s’intéressera probablement aussi à la contribution des centrales à machine thermique au réchauffement climatique. Helion ajoute bien de la chaleur à la Terre qui n’y était pas auparavant, mais pour une même quantité d’électricité produite, la chaleur générée devrait être moindre. Et elle ne dépend pas non plus d’un modèle consistant à rejeter toute cette chaleur dans une rivière
Je ne sais pas si Helion est réalisable, mais j’ai l’impression que c’est la seule technologie qui pourrait l’être
Construire une centrale à fusion coûterait bien plus cher qu’une centrale à fission de capacité comparable, alors que la fission elle-même n’est déjà plus compétitive et perd chaque jour davantage de terrain. Il faudrait sérieusement réfléchir aux usages d’un plasma stable confiné qui ne fusionne pas. L’avantage, c’est qu’il n’a pas forcément besoin d’être particulièrement chaud. Avec ce que nous avons déjà, il est assez chaud pour certains usages plausibles
« Nouveau record de durée de décharge pour Wendelstein 7-X : il a été possible de maintenir un plasma chaud pendant 8 minutes » est clairement un jalon
Il faut toutefois noter que ce qui est testé actuellement, c’est le système de chauffage. Cela ne signifie pas qu’une véritable réaction de fusion ait eu lieu