Science matérielle
Alimenter l’avenir avec les métaux du quotidien
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L'énergie de fusion fait l'actualité depuis quelques années, et la communauté scientifique s'intéresse de près aux réacteurs futuristes. Mais en coulisses, certains des métaux les plus courants permettent discrètement à la fusion de passer du laboratoire au réseau électrique. Le tungstène, le cuivre et le lithium, des éléments avec lesquels nous interagissons quotidiennement, se révèlent indispensables dans la quête d'une énergie propre et illimitée.
Le tokamak en tungstène WEST établit un record de fusion en 6 minutes
Le dispositif WEST (Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak), basé en France, a établi un nouveau record, marquant une étape majeure dans l'énergie de fusion. WEST a maintenu un plasma de fusion à 50 millions de degrés Celsius pendant six minutes, injectant 1.15 gigajoules d'énergie. Cet exploit double la densité du plasma et fournit 15 % d'énergie supplémentaire par rapport au précédent record de WEST.
OUEST est exploité par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Il fait partie du programme de coordination des défis internationaux liés aux opérations de longue durée (CICLOP) de l'AIEA. Le Département de l'Énergie des États-Unis Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) a un long partenariat avec WEST et CICLOP.
« Nous devons fournir une nouvelle source d’énergie, et cette source doit être continue et permanente. Ce sont de beaux résultats. Nous avons atteint un régime stationnaire malgré un environnement difficile dû à ce mur de tungstène.
– Xavier Litaudon, chercheur au CEA et président du CICLOP
Bases de la fusion
Fusion alimente le soleil et les étoiles. Cela se produit lorsque des éléments légers comme l’hydrogène sont chauffés à des températures extrêmement élevées, formant ainsi un plasma. Dans cet état, les particules de plasma entrent en collision et fusionnent, libérant de grandes quantités d’énergie.
Sur Terre, des dispositifs de fusion appelés tokamaks utilisent de puissants champs magnétiques pour confiner le plasma dans une chambre en forme de beignet. L’objectif est de parvenir à une réaction de fusion auto-entretenue qui génère plus d’énergie qu’elle n’en consomme, fournissant potentiellement une source d’énergie pratiquement illimitée, sûre et sans carbone.
Cependant, maintenir ces réactions suffisamment longtemps pour extraire de l’énergie nette reste un défi de taille. Le plasma doit être chauffé à des températures supérieures à celles du noyau solaire et maintenues stables pendant de longues périodes. Contrairement à la plupart des tokamaks, dont les parois internes en carbone retiennent trop de combustible pour être viables en réacteur, des matériaux alternatifs sont en cours d'exploration.
Les parois en tungstène de WEST : une avancée significative pour les réacteurs
OUEST est doublé avec le tungstène, candidat majeur pour les futurs réacteurs à fusion. Le tungstène retient beaucoup moins de combustible que le carbone, ce qui est une nécessité pour un fonctionnement efficace du réacteur. Cependant, même si le tungstène est tracé dans le plasma, il peut se refroidir rapidement par rayonnement. Luis Delgado-Aparicio du PPPL explique :
« L’environnement des parois en tungstène est bien plus difficile que l’utilisation du carbone. C’est tout simplement la différence entre essayer d’attraper votre chaton à la maison et essayer de caresser le lion le plus sauvage.
Malgré la difficulté, le record de 6 minutes établi par WEST avec des parois en tungstène constitue une avancée majeure. Il est deux fois plus long que celui établi par le prédécesseur de WEST, Tore Supra, à parois en carbone. La démonstration de longues impulsions avec des matériaux adaptés aux réacteurs est cruciale pour les objectifs du CICLOP et les futures centrales électriques.
Un nouveau diagnostic par rayons X permet une percée
Le cliché record a été diagnostiqué en utilisant un système d'imagerie à rayons X innovant développé par PPPL. La caméra à rayons X doux multi-énergies (ME-SXR), fabriquée par DECTRIS, a été spécialement adaptée par PPPL pour mesurer les propriétés du plasma avec des détails sans précédent.
« Le groupe Rayons X du département Projets avancés du PPPL développe tous ces outils innovants pour les tokamaks et les stellarators du monde entier. »
– Delgado-Aparicio, responsable des projets avancés du PPPL
Généralement, les diagnostics de fusion utilisent un ou deux niveaux d'énergie de rayons X. Le ME-SXR de PPPL effectue des mesures simultanées à huit niveaux d'énergie, entre 11 et 18 kiloélectronvolts (keV). Cette plage fournit des données claires sur le cœur du plasma, tout en excluant les interférences des ondes de chauffage radiofréquence.
Le ME-SXR mesure directement les températures des électrons dans le cœur du plasma en comparant les intensités à différentes énergies. Il détermine également la densité des impuretés de tungstène migrant depuis les parois, ce qui constitue une donnée vitale pour optimiser le fonctionnement à impulsion longue avec des parois métalliques. Selon le coordonnateur de l'OUEST Rémi Dumont :
« Ce système particulier est le premier de ce type avec discrimination énergétique. C'est spectaculaire. Grâce à ces nouvelles mesures, nous aurons la possibilité de mesurer le tungstène à l’intérieur du plasma et de comprendre le transport du tungstène depuis la paroi jusqu’au cœur.
Des résultats records ouvrent la porte au développement de réacteurs
L'équipe PPPL, dirigée par Delgado-Aparicio et le chercheur Tullio Barbui, a découvert que le plasma WEST atteignait une température constante de 4 à 4.5 kilovolts (près de 50 millions de °C) dans le cœur tout au long des 6 minutes de tir. Les profils d’impuretés et de température sont restés stables.
Ces résultats ont été corroborés par des simulations avancées réalisées par des scientifiques du CEA. Selon Litaudon :
« Cette caméra à résolution énergétique ouvrira une nouvelle voie en termes d’analyse. Grâce à ces diagnostics, nous pouvons comprendre ce problème et aller aux racines de la physique tant pour la mesure que pour la simulation.
PPPL et WEST visent à améliorer encore leur contrôle de la température et des impuretés de tungstène pour permettre des opérations encore plus longues et plus stables. De plus, PPPL partage sa technologie ME-SXR avec des tokamaks du monde entier pour accélérer la recherche relative aux réacteurs.
« Le ME-SXR n'est qu'une partie d'une contribution plus globale du diagnostic du PPPL au CEA/WEST. Cette collaboration nous aide beaucoup. Grâce à cette combinaison de diagnostics, nous pourrons effectuer des mesures très précises dans le plasma et le contrôler en temps réel.
-Dumont
Les métaux du quotidien qui alimentent la fusion : tungstène, cuivre, lithium
Si le plasma occupe une place de choix, l'avenir de la fusion repose également sur ses composants plus tangibles. Trois métaux s'avèrent essentiels : le tungstène, le cuivre et le lithium.
Le tungstène est apprécié pour son point de fusion extrêmement élevé de 3422 XNUMX °C, le plus élevé de tous les éléments. Cela lui permet de résister à la chaleur torride des plasmas de fusion. Xiamen Tungstène Co., Ltd., coté à la Bourse de Shanghai, est l'un des principaux producteurs mondiaux.
En 2023, malgré une baisse de 18.30 % de son chiffre d'affaires d'exploitation à 39.398 milliards de yuans, l'entreprise a enregistré une hausse de 10.75 % de son bénéfice net attribuable aux actionnaires, atteignant 1.602 milliard de yuans. L'expansion de ses capacités de production et l'amélioration de son efficacité renforcent sa position de fournisseur clé de tungstène de haute pureté pour les applications de fusion, ce qui en fait un prospect attrayant pour les investisseurs.
Le cuivre est un élément clé de l'électronique de fusion grâce à son exceptionnelle conductivité électrique et thermique. Bobines magnétiques, jeux de barres et échangeurs de chaleur utilisent tous du cuivre pour gérer les courants et la chaleur intenses de la fusion.
Freeport-McMoRan Inc. (FCX), Le plus grand producteur de cuivre coté en bourse, dont le siège social est situé aux États-Unis, a maintenu une santé financière solide en 2023, avec un chiffre d'affaires de 24.6 milliards de dollars et un bénéfice net de 4.2 milliards de dollars. Les importantes réserves de cuivre de l'entreprise, son engagement en faveur du développement durable et ses avancées technologiques renforcent ses perspectives de croissance, notamment grâce à la demande croissante de cuivre provenant des énergies renouvelables et des véhicules électriques.
Le lithium, le métal le plus léger, est en train de devenir un pilier de la fusion en raison de son remarquable potentiel électrochimique. Les couvertures au lithium peuvent produire du combustible au tritium et les batteries au lithium peuvent stocker efficacement l’énergie de fusion. Société Albemarle (ALB), un important producteur de lithium, a déclaré un chiffre d'affaires annuel record de 9.62 milliards de dollars en 2023, soit une augmentation de 31 % par rapport à l'année précédente.
(ALB )
Malgré des défis tels que la baisse de la demande de véhicules électriques et la chute des prix du lithium, l'unité de stockage d'énergie d'Albemarle a enregistré une croissance impressionnante de 35 % de ses volumes, principalement grâce à l'agrandissement de son usine de La Negra au Chili. L'accent mis par l'entreprise sur la réduction des coûts, la flexibilité financière et les investissements de croissance lui permet de bien se positionner sur le marché florissant du lithium, malgré une baisse significative du cours de son action au cours de l'année écoulée.
Avec les progrès de la fusion, la demande pour ces métaux devrait exploser. Le tungstène, le cuivre et le lithium n'ont peut-être pas l'éclat du plasma, mais ils constituent l'épine dorsale du brillant avenir de la fusion. Les producteurs capables de fournir des matériaux de haute pureté à grande échelle pourraient bénéficier d'un essor considérable à l'aube de l'ère de la fusion.
Des partenariats novateurs stimulent le progrès
Cette avancée est le fruit d'une collaboration entre des instituts de fusion de premier plan. PPPL, pionnier du diagnostic plasma, a développé le ME-SXR grâce à un financement du Département de l'Énergie (DOE) pour les jeunes chercheurs et les chercheurs en développement diagnostique. Le tokamak WEST du CEA, seul dispositif au monde à parois de tungstène permettant d'explorer les tirs de longue durée, constitue un banc d'essai idéal.
DECTRIS, leader mondial des détecteurs de rayons X, a fourni une technologie de base que PPPL a adaptée dans le nouveau ME-SXR. Selon Nicolas Pilet, Directeur Commercial DECTRIS :
« La communauté de la fusion plasma a été parmi les premières à tester la technologie hybride de comptage de photons pour surveiller la dynamique du plasma. Nous sommes incroyablement fiers de contribuer à ce développement avec nos produits et sommes ravis de notre excellente collaboration.
Le record de WEST est également un triomphe pour CICLOP, le programme de l'AIEA qui coordonne les efforts mondiaux sur les défis liés aux impulsions longues. En combinant expertise et ressources, CICLOP vise à résoudre systématiquement les principaux problèmes qui entravent les opérations de fusion continue. Litadudon a déclaré :
« Cette étape importante représente une étape importante vers les objectifs du programme CICLOP. Le travail du PPPL à WEST en est un excellent exemple. »
Sur la voie d’une énergie de fusion propre
Le record de 6 minutes de WEST avec des parois en tungstène marque une avancée significative pour l'énergie de fusion. Il confirme que les tokamaks dotés de matériaux adaptés aux réacteurs peuvent confiner durablement le plasma aux températures nécessaires à la production d'énergie de fusion. De nouveaux diagnostics, comme le ME-SXR de PPPL, permettent aux chercheurs de mesurer et d'optimiser le plasma avec une précision sans précédent.
Il y a encore beaucoup de travail à faire être terminé Pour développer un réacteur à fusion viable, il est nécessaire de prolonger la durée des impulsions, de quelques minutes à plusieurs mois, tout en augmentant la densité et en maintenant la stabilité. Des matériaux, des aimants et des systèmes d'extraction de chaleur avancés sont essentiels. Cependant, les scientifiques concrétisent progressivement le vaste potentiel de la fusion.
La fusion a le potentiel de fournir une source d’énergie sûre, sans carbone et pratiquement inépuisable. Ce pourriez vous aider atténuer le changement climatique, améliorer la sécurité énergétique, et soutenir la prochaine ère du développement humain. Dans l’ensemble, comme le montrent WEST et CICLOP, la collaboration mondiale est essentielle pour surmonter les défis de la fusion et offrir ses immenses avantages au monde.
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