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Des scientifiques découvrent un procédé qui stabilise les plasmas de fusion dans les tokamaks
Des scientifiques découvrent un procédé qui stabilise les plasmas de fusion dans les tokamaks
la perspective d'une nouvelle source d'énergie propre et illimitée ?
La migration vers les énergies propres est présente, comme projet plus ou moins prioritaire, dans plusieurs pays et entreprises de classe mondiale. En guise d'exemple, l’énergie solaire est l’une des sources d’énergie de prédilection aux USA en ce moment, selon Bloomberg. Malgré les tarifs imposés par le président Trump aux panneaux importés, les États-Unis ont installé plus d'énergie solaire que toute autre source d'électricité au premier trimestre, a écrit Bloomberg. Selon un rapport publié mardi par la Solar Energy Industries Association et GTM Research, les développeurs ont installé 2,5 gigawatts d'énergie solaire au premier trimestre, en hausse de 13 % par rapport à l'année précédente. Cela représentait 55 % de toute la nouvelle génération, avec des panneaux solaires préférés aux nouvelles éoliennes et turbines au gaz naturel pour un deuxième trimestre consécutif.
En 2017, Google avait déjà annoncé que les énergies renouvelables seront sa seule source d'approvisionnement énergétique. Cela dit, Apple aussi avait dévoilé son projet de ferme solaire de 200 MW dans l'État du Nevada pour alimenter son datacenter et les résidents locaux en énergie propre. Ce projet était annoncé pour entrer en service au début de l'année 2019. Dans le même contexte, le milliardaire de la Tech Elon Musk avait dévoilé son plan pour alimenter tous les États-Unis en énergie renouvelable.
L’énergie de fusion est parmi ces énergies propres. Elle est produite à partir de réactions de fusion nucléaire. La fusion implique le chauffage de noyaux d'atomes légers – généralement des isotopes d'hydrogène – à des températures beaucoup plus élevées que celles au centre du soleil afin de pouvoir surmonter leur répulsion mutuelle et s'unir pour former un noyau plus lourd, générant d'énormes quantités d'énergie dans le processus. Des projets de réacteurs de fusion gigantesques, connus sous le nom de tokamaks, étaient prévus pour produire de l’électricité d’ici 2050 à partir de cette énergie. Les scientifiques qui cherchent à amener sur Terre la réaction de fusion qui alimente le soleil et les étoiles doivent garder le plasma super chaud et à l'abri des perturbations. La capture et le contrôle de l'énergie de fusion constituent donc un défi scientifique et technique majeur pour les chercheurs du monde entier. Les chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis ont maintenant découvert un procédé qui pourrait aider à contrôler les perturbations considérées comme les plus dangereuses.
La réplication de la fusion, qui libère une énergie illimitée en fusionnant des noyaux atomiques à l'état de matière appelé plasma, pourrait produire une énergie propre et pratiquement illimitée pour produire de l'électricité pour les villes et les industries du monde entier. Les résultats de l'étude PPPL, rapportés dans Physical Review Letters, se concentrent sur ce qui est appelé « les modes de déchirure », des instabilités dans le plasma qui créent des îlots magnétiques, une source clé de perturbations du plasma. Ces îlots, des structures en forme de bulles qui se forment dans le plasma, peuvent se développer et déclencher des événements perturbateurs qui arrêtent les réactions de fusion et endommagent les installations appelées tokamaks (une chambre torique de confinement magnétique destinée à l'étude des plasmas et notamment pour étudier la possibilité de la production d'énergie par fusion nucléaire) qui abritent les réactions.
Des chercheurs ont découvert dans les années 1980 que l'utilisation d'ondes de radiofréquence (RF) pour alimenter le courant dans le plasma pouvait stabiliser les modes de déchirure et réduire le risque de perturbations. Cependant, les chercheurs n'ont pas remarqué que de petits changements - ou perturbations - dans la température du plasma pourraient améliorer le processus de stabilisation, une fois qu'un seuil clé en puissance est dépassé. Le mécanisme physique que PPPL a identifié fonctionne comme suit : les perturbations de température affectent la puissance du variateur de courant et la quantité de puissance RF déposée dans les îlots ; lorsque la rétroaction se combine avec la sensibilité du variateur de courant aux perturbations de température, l'efficacité du processus de stabilisation augmente ; en outre, l'amélioration de la stabilisation est moins susceptible d'être affectée par un mauvais alignement des lecteurs de courant qui ne parviennent pas à atteindre le centre de l'île.
À en croire les chercheurs, l'impact global de ce processus crée ce qu'on appelle techniquement la « condensation du courant RF », ou concentration de la puissance RF à l'intérieur de l'île qui l'empêche de croître. « Le dépôt de puissance est considérablement augmenté. Lorsque le dépôt de puissance dans l'île dépasse un seuil, il y a un saut de température qui renforce grandement l'effet stabilisateur. Cela permet de stabiliser de plus grandes îlots qu'on ne le pensait possible », a déclaré Allan Reiman, physicien théoricien chez PPPL et auteur principal de l'article. Ce procédé pourrait être particulièrement bénéfique pour ITER dans le sens où, tout comme les autres tokamaks, il souffre aussi de la perturbation de la température dans les îlots magnétiques. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en français, réacteur thermonucléaire expérimental international. Considéré comme le plus grand tokamak du monde, ITER est situé à Cadarache (Bouches-du-Rhône) en France et est le résultat de 60 ans de recherches scientifiques dans le domaine.
Il pèse environ 23 000 tonnes et est conçu pour générer 10 fois l’énergie qu’il consomme. Un projet international qui regroupe, en plus de l’Union européenne, les États-Unis, la Russie, la Chine, l’Inde, le Japon et la Corée du Sud. Ce projet de recherche s'inscrit dans une démarche à long terme visant à l'industrialisation de la fusion nucléaire. C'est le plus grand projet scientifique mondial actuel. Cependant, le projet a connu de nombreux obstacles. À l’origine, ITER était prévu pour démarrer en 2016 et coûter environ 5 milliards d'euros. Mais il trouve en 2017, son coût multiplié par quatre et son démarrage ajourné à 2025. Ainsi, les expériences à grande échelle dans ce réacteur devront attendre 2035. La démarche à long terme visant à l'industrialisation de la fusion nucléaire nécessitera de construire ensuite un second réacteur de recherche, DEMO, plus proche d'un réacteur de production, avant la phase industrielle.
ITER est un projet dont l'objectif est de démontrer la faisabilité de l'énergie de fusion. « On craignait que les îlots ne deviennent trop grandes et ne perturbent le fonctionnement d'ITER. Néanmoins, ces nouveaux effets devraient faciliter la stabilisation des plasmas ITER », a déclaré Reiman qui a travaillé avec le professeur Nat Fisch, directeur adjoint des affaires académiques de PPPL et co-auteur du rapport. Fisch avait démontré dans un article historique des années 1970 que les ondes RF pouvaient être utilisées pour conduire des courants afin de confiner les plasmas tokamak par un procédé maintenant appelé « entraînement de courant RF ». Fisch souligne que « c'est le document révolutionnaire de Reiman, publié en 1983, qui a prédit que ces courants RF pourraient également stabiliser les modes de déchirure ». L'utilisation d'un variateur de courant RF pour stabiliser les modes de déchirure était peut-être encore plus cruciale pour le programme tokamak que l'utilisation de ces courants pour confiner le plasma, a ajouté Fisch.
C'est pourquoi, dit-il, le journal de Reiman de 1983 a lancé des campagnes expérimentales sur les tokamaks dans le monde entier pour stabiliser les modes de déchirure. Il précise aussi qu'il est significatif qu'en plus de prédire la stabilisation des modes de déchirure par RF, l'article de 1983 soulignait également l'importance de la perturbation de la température dans les îlots magnétiques. Le nouvel article jette un regard neuf sur l'impact de ces perturbations de la température sur les îlots, une caractéristique qui a été sous-estimée depuis que le document de 1983 l'a signalé. « Nous sommes remontés 35 ans en arrière pour aller un peu plus loin dans cette réflexion en explorant la physique fascinante et les implications plus larges de la rétroaction positive. Il s'est avéré que ces implications pourraient maintenant être très importantes pour le programme tokamak aujourd'hui », a dit Fisch.
Source : Phys.org
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Objectif: une petite allumette pour un gros feu
@JppPleur Quand on allume un feu, on utilise une petite allumette (un peu d'énergie), et ça permet de déclencher une réaction chimique qui libère ensuite l'énorme quantité d'énergie chimique qui était stockée dans le bois (à l'origine, cette énergie vient du soleil et a été capté par l'arbre). Quand on allume la fusion nucléaire, on utilise une grosse allumette (il faut chauffer le gaz à des millions de degrés), et ça permet de déclencher une réaction de fusion nucléaire qui libère ensuite l'énorme quantité d'énergie nucléaire qui était stockée à l'intérieur des noyaux des atomes (à l'origine, cette énergie vient du Big Bang, et il y en a une quantité juste hallucinante). Donc effectivement, il n'y a pas de création d'énergie à partir de rien, personne ne dit ça, mais l'objectif est de faire en sorte qu'on ne dépense pas plus d'énergie à allumer le feu que ce qu'on récupère quand il brûle. Pour l'instant on n'y est pas: l'allumette demande plein d'énergie, et le feu s'éteint presque tout de suite. Une énorme allumette pour un petit feu. Comme quand on s'acharne à essayer d'allumer des bûches mais qu'on n'y arrive pas. Du moins pas encore ! Perso, j'y crois à fond, et je pense que ça changera complètement le monde, pour le meilleur. :) J'espère que c'est plus clair comme ça. Bon week-end!
ps: Pour ceux que ça intéresse, le ratio entre l'énergie produite (ou plutôt libérée) et l'énergie consommée s'appelle Q. Quand on atteindra Q=1, cela signifiera qu'on libère autant d'énergie qu'on en consomme. Toutefois, c'est insuffisant, car pour que ça soit plus intéressant financièrement que les autres sources d'énergie, il faudrait atteindre Q=5 environ. Ca prendra du temps à atteindre, mais les progrès sont désormais tellement réguliers que les chercheurs sont désormais assez confiants qu'on y arrivera. Si vous parlez anglais, je vous recommande à fond de regarder cette présentation passionnante de John Platt au sujet de la fusion nucléaire: https://youtu.be/9hwqcaIZFt8?t=129 (vous pouvez activer les sous-titres si vous voulez). C'est vraiment génial, allez voir ça. Vraiment. Maintenant. Allez!
