Un laboratoire national débloque la fusion nucléaire - Véritable percée, acte de nouveauté ou les deux ?

NLa fusion nucléaire a longtemps été le Saint Graal d'une énergie véritablement propre. L'écrasement des atomes d'hydrogène promet une électricité illimitée avec zéro émission de carbone, un minimum de déchets radioactifs et aucune chance de fusion catastrophique. Mais pendant un demi-siècle, les scientifiques de la fusion ont été limités par la puissance de leurs lasers et la force de leurs champs magnétiques – jamais avant de comprendre comment extraire plus d'énergie de leur écrasement d'atomes qu'ils n'en ont mis. Jusqu'à présent.

Aujourd'hui, les scientifiques du Installation nationale d'allumage au Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL) en Californie révélera que début décembre, pour la première fois, ils ont réussi à obtenir un gain d'énergie supérieur à 1 - c'est-à-dire que plus d'énergie a été émise par les réactions à l'intérieur de leur capsule de combustible deutérium-tritium (2,000 XNUMX mégajoules) que ce qui était contenu dans le 192 lasers avec lesquels ils l'ont fait exploser.

C'est un gros problème, qui mérite d'être célébré, mais quelque peu couru d'avance, déclare Debra Callahan, une physicienne des plasmas qui a récemment quitté l'équipe de fusion du LLNL pour devenir directrice scientifique de la start-up. Énergie concentrée, qui travaille déjà à la commercialisation de l'approche.

Callahan savait que LLNL réaliserait un gain d'énergie net après avoir atteint l'année dernière une production d'énergie de 72 % de ses apports d'énergie laser. « Ce n'est pas une surprise pour moi. Compte tenu du chemin des résultats que nous avions vus, ça allait arriver », dit-elle. Ils avaient juste besoin d'un peu plus de puissance laser. Alors, comment ça marche? Imaginez un petit cylindre creux en or qui tient dans la paume de votre main. C'est ce qu'on appelle le hohlraum. À l'intérieur du hohlraum se trouve une minuscule capsule de combustible à l'intérieur de laquelle se trouvent des atomes de deutérium et de tritium.

Ils utilisent de l'or parce qu'il retient les rayons X produits lorsqu'ils font exploser l'une ou l'autre des extrémités du hohlraum avec 173 des lasers les plus puissants au monde. Callahan dit: «C'est comme un four à rayons X», qui comprime tellement le carburant qu'il implose et déclenche la fusion entre les atomes au centre de la capsule. La fusion se propage alors dans une vague à partir du centre, émettant une chaleur prodigieuse. Tout cela se passe en un milliardième de seconde.

Pourquoi Callahan a-t-il quitté LLNL alors qu'ils étaient sur le point de réussir ? Parce que, dit-elle, le National Ignition Facility n'est pas une machine à fusion. Le hohlraum est idéal pour démontrer l'allumage, mais il n'est pas nécessairement assez efficace pour l'ingénierie de la fusion pulsée continue, car une grande quantité d'énergie laser résiduelle est perdue lors du chauffage de l'or plutôt que de l'hydrogène. Ainsi chez Focused Energy (soutenu par Laboratoire Prime Movers ainsi que Nouveaux associés d'entreprise) leur plan est de jeter le hohlraum et d'utiliser à la place une approche «à entraînement direct» - en faisant exploser les lasers directement sur une capsule de carburant (voir schéma).

Ils n'ont pas encore démontré que cela fonctionne, mais Callahan est convaincu que dans quelques années, leur projet pilote permettra d'obtenir un gain d'énergie multiplié par 10. Cela sera suivi d'une deuxième usine atteignant un gain de 30x, suivie de ce qui, à la fin des années 2030, serait leur premier générateur commercial, avec un peu de chance, réalisant un gain d'énergie de 100x et faisant exploser 10 capsules de carburant par seconde.

Mais là résidait un défi particulier. À 10 par seconde, leur machine consommerait près de 900,000 XNUMX gélules par jour. Ce n'est pas comme pelleter du charbon dans une fournaise ; chaque capsule devrait être fabriquée selon des normes rigoureuses et injectée dans la machine avec un timing parfait.

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Est-ce réaliste? Certains concurrents de la fusion ne le pensent pas. General Fusion est une société de fusion basée à Vancouver, au Canada, qui a annoncé hier son propre jalon. Son approche s'appelle la fusion de cible magnétisée et implique une machine où ils injectent une boule de plasma d'hydrogène dans la machine et utilisent de puissants aimants pour la maintenir tout en comprimant avec des pistons mécaniques plutôt que des lasers. Le PDG Greg Twinney s'attend à ce que l'usine pilote que General Fusion construit au Royaume-Uni fasse la démonstration de la fusion en 2027, avec une conception commerciale prête au début des années 2030. "Quand nous voyons des nouvelles comme celle-ci, nous ne sommes pas surpris", dit-il. Mais l'approche du LLNL ne peut pas être extrapolée à une usine de fusion en activité, ce que General Fusion (soutenu par 300 millions de dollars de Jeff Bezos, ShopifyBOUTIQUE
Le PDG Tobias Lutke et Temasek, entre autres) ont entrepris de le faire dès le début. «Tout ce que nous faisons est axé sur une centrale électrique commerciale», dit-il. "Si cela fonctionne dans une expérience scientifique mais n'est pas commercial, cela ne nous intéresse pas."

Les nouvelles de LLNL ont généré une réponse similaire du PDG David Kirtley de la startup de fusion basée à Seattle Hélion, soutenu par 600 millions de dollars des magnats de la technologie Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman et Jeff Skoll. "Nous sommes ravis qu'ils aient atteint les jalons scientifiques de leur machine", déclare Kirtley. Mais il ne se sent pas menacé par "un appareil de recherche qui n'est pas conçu pour produire de l'électricité". En revanche, le fonctionnement de la machine à fusion de 60 pieds de long d'Helion consiste à injecter des boules de plasma à chaque extrémité, les brisant ensemble dans une réaction de 100 millions de degrés contrôlée par des champs magnétiques intenses. Dans le nouveau système d'Helion, l'énergie libérée dans les réactions de fusion pousse continuellement contre son champ de confinement magnétique, qui repousse - provoquant des oscillations "comme un piston", dit Kirtley, qui génèrent un courant électrique, qu'Helion capte directement du réacteur. (Pour en savoir plus, lisez Loi d'induction de Faraday.)

Helion construit son 7e prototype et conçoit son 8e, qui, espère Kirtley, sera le premier générateur de fusion commercial – éventuellement connecté au réseau électrique d'ici la fin de cette décennie, si tout va bien. Il dit que les régulateurs nucléaires fédéraux semblent prêts à soumettre leur machine aux mêmes règles que les accélérateurs de particules et le type de machines d'imagerie utilisées dans les hôpitaux.

Et il y a beaucoup d'autres entreprises qui poursuivent l'approche la plus établie de la fusion - le tokamak concept, dans lequel des boules de plasma sont injectées dans une chambre de réacteur en forme de beignet creux, contrôlée par de puissants champs magnétiques. Fusion du Commonwealth, un spin-off du MIT, cherche à perfectionner le tokamak en utilisant des matériaux supraconducteurs à ultra haute température qui, selon le PDG Bob Mumgaard, leur permettront d'avoir un dispositif de fusion fonctionnel d'ici la fin de la décennie. Il en va de même pour General Atomics, basé à San Diego (mieux connu pour avoir inventé le drone Predator), qui exploite depuis des décennies un tokamak pour le ministère de l'Énergie et conçoit une nouvelle machine. GA a également construit sans doute l'aimant le plus puissant du monde, appelé le solénoïde central, pour le plus grand projet de fusion au monde, le 30 milliards de dollars ITER en construction en France. Si les autres startups de la fusion parviennent à leurs fins, ITER sera obsolète avant même d'être achevée au cours de la prochaine décennie. Répandant ses paris, GA (détenue par le milliardaire Neal Blue) a un partenariat avec le Savannah River National Lab pour fabriquer des pastilles de combustible pour les machines de fusion à base de laser comme LLNR et Focused Energy.

Peu importe à qui vous parlez dans le domaine de la fusion, leurs critiques des réacteurs à fission nucléaire établis de longue date sont les mêmes. Les réactions de fission (dans lesquelles de gros atomes d'uranium enrichi sont brisés) produisent des déchets radioactifs, notamment du plutonium et des actinides dangereux qui peuvent être transformés en armes. Contrairement à la fusion, qui est difficile à démarrer et facile à arrêter, les réactions de fission sont faciles à démarrer et difficiles à arrêter, introduisant le risque d'effondrements catastrophiques. Des modèles plus récents, comme le WestinghouseAP1000 réacteur à fission, en construction aux États-Unis et en Chine, comporte des mesures de sécurité passive et est pratiquement à l'épreuve de la fusion.

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Certains entrepreneurs atomiques pensent que la fission est suffisante. Bret Kugelmass, fondateur et PDG de Dernière énergie, a entrepris il y a cinq ans de concevoir le réacteur nucléaire le plus efficace et le plus économique au monde. Avant de se fixer sur son approche, Kugelmass, aujourd'hui âgé de 36 ans, a interviewé des centaines d'experts de l'industrie nucléaire (et a mis les discussions sur son Podcast Titans du nucléaire) pour glaner la sagesse collective de l'industrie. Bien qu'il ait confiance dans l'avenir à long terme de la fusion, Kugelmass a déterminé que le meilleur pari au monde pour s'éloigner des combustibles fossiles consistait à construire des réacteurs à fission modulaires de la manière la plus simple, la moins chère et la plus sûre possible. Dans son usine près de Houston, Last Energy fabrique actuellement ses premiers petits réacteurs à eau sous pression modulaires, qui utilisent des composants prêts à l'emploi, provenant des chaînes d'approvisionnement nucléaires existantes, avec une technologie qui a été perfectionnée au fil des décennies et est utilisée dans plus plus de 300 réacteurs dans le monde.

Déjà, Last Energy a vendu 10 de ses unités de 20 mégawatts à un client en Pologne, deux autres pour la Roumanie et une poignée pour la Grande-Bretagne. Kugelmass dit que sa propriété intellectuelle n'est pas dans les composants éprouvés, mais dans la façon de les assembler tous. Il a jusqu'à présent levé 24 millions de dollars grâce à Gigafonds, et s'attend à ce que les premiers réacteurs en Pologne fonctionnent en 2025. Pour financer les machines, Last Energy conclut des accords d'achat d'électricité à long terme promettant à ses clients des décennies d'énergie nucléaire zéro carbone à des prix inférieurs au marché. « Nous avons réussi à nous tailler un créneau recherché que personne ne recherchait », déclare Kugelmass. "Nous avons mis en boîte noire toute l'opération."

Aussi séduisante que puisse être la promesse de fusion, si Kugelmass réussit, les réalités compétitives d'une fission établie et fiable pourraient encore reléguer son nouveau cousin branché dans la poubelle des flops technologiques héroïques - rappelez-vous Betamax, Google Glass et New Coke ?

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