Les scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du ministère américain de l’énergie (DOE) ont conçu un nouveau type d’aimant qui pourrait être utile à des dispositifs allant des installations de fusion en forme de doughnut, appelées tokamaks, aux machines médicales qui créent des images détaillées du corps humain.
Les tokamaks s’appuient sur un électroaimant central appelé solénoïde pour créer des courants électriques et des champs magnétiques qui confinent le plasma - l’état chaud et chargé de la matière composé d’électrons libres et de noyaux atomiques - afin que les réactions de fusion puissent se produire. Mais après avoir été exposé au fil du temps à des particules subatomiques énergétiques, appelées neutrons, émanant du plasma, l’isolation entourant les fils de l’électroaimant peut se dégrader. Si tel est le cas, l’aimant peut tomber en panne et réduire la capacité d’un tokamak à exploiter l’énergie de fusion.
Dans ce nouveau type d’aimant, le métal fait office d’isolant et ne serait donc pas endommagé par les particules. En outre, il fonctionnerait à des températures plus élevées que les électroaimants supraconducteurs actuels, ce qui en faciliterait l’entretien.
La fusion, l’énergie qui anime le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma pour générer des quantités massives d’énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre afin de disposer d’une source d’énergie pratiquement inépuisable pour produire de l’électricité.
« Notre innovation permet à la fois de simplifier le processus de fabrication et de rendre l’aimant plus tolérant aux rayonnements produits par les réactions de fusion », a déclaré Yuhu Zhai, ingénieur principal chez PPPL et auteur principal d’un article rapportant les résultats dans Superconductor Science and Technology.
« Si nous concevons une centrale électrique qui fonctionnera en continu pendant des heures ou des jours, alors nous ne pouvons pas utiliser les aimants actuels », a déclaré Zhai. « Ces installations produiront plus de particules à haute énergie que les installations expérimentales actuelles. Les aimants produits aujourd’hui ne dureraient pas assez longtemps pour les installations futures comme les centrales de fusion commerciales. »
Les électro-aimants diffèrent des simples aimants permanents qui maintiennent les œuvres d’art sur les portes des réfrigérateurs. Les électro-aimants sont constitués d’une bobine de fil isolé transportant un courant électrique qui génère un champ magnétique lorsqu’il circule. Les électro-aimants sont utilisés dans des appareils allant des tokamaks aux grues qui soulèvent les voitures accidentées dans les décharges et aux appareils d’imagerie par résonance magnétique qui scannent l’intérieur des corps humains.
Zhai et d’autres chercheurs ont construit un prototype d’aimant et obtenu des résultats encourageants. « Au cours de nos tests, notre aimant a produit environ 83 % de la quantité maximale de courant électrique que les fils peuvent transporter, ce qui est une très bonne quantité », a-t-il déclaré. « Les scientifiques n’utilisent généralement que 70 % de la capacité de courant électrique des fils supraconducteurs lorsqu’ils conçoivent et construisent des aimants de grande puissance. Et les aimants à grande échelle comme ceux utilisés dans ITER, l’installation internationale de fusion en cours de construction en France, n’en utilisent souvent que 50 %. »
Les nouveaux aimants ont des fils fabriqués à partir des éléments niobium, parfois utilisé dans les moteurs à réaction, et étain. Lorsqu’ils sont chauffés d’une manière particulière, ces éléments forment un supraconducteur qui permet au courant électrique de circuler à travers lui à des températures extrêmement basses, sans résistance. Il y a donc beaucoup moins besoin d’isolation pour éviter les fuites de courant.
« Ce nouveau concept est intéressant car il permet à l’aimant de transporter beaucoup de courant électrique dans un petit espace, réduisant ainsi le volume occupé par l’aimant dans un tokamak », a déclaré Robert Ellis, ingénieur en chef de PPPL. « Cet aimant pourrait également fonctionner à des densités de courant plus élevées et à des champs magnétiques plus forts que les aimants actuels. Ces deux qualités sont importantes et pourraient permettre de réduire les coûts. »
Dans l’ensemble, ce nouveau développement pourrait profondément profiter au développement de l’énergie de fusion. « Il s’agit d’un changement révolutionnaire dans la façon de fabriquer des électro-aimants », a déclaré Michael Zarnstorff, directeur scientifique de PPPL. « En créant un aimant avec seulement du métal et en supprimant la nécessité d’utiliser un isolant, vous vous débarrassez de nombreuses étapes coûteuses et réduisez le nombre de possibilités de dysfonctionnement de la bobine. C’est un aspect très important ».
M. Zhai et ses collaborateurs dans tout le pays et dans le monde entier travaillent maintenant avec l’industrie privée pour poursuivre le développement d’un prototype sans isolation. Ce nouveau type d’électroaimant à base de supraconducteurs à haute température pourrait être un composant fondamental d’une centrale de fusion pilote.
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