Mathieu
Sur un ancien site de la réserve de l’armée américaine près de Boston, une structure inhabituelle s’élève parmi les collines vallonnées. Brandon Sorbom, directeur scientifique de Commonwealth Fusion Systems (CFS), me conduit vers le centre de l’emplacement en forme de croix du bâtiment, en zigzaguant entre les échafaudages, les chariots élévateurs, et les équipes de soudeurs et de peintres. Descendant un escalier jusqu’à un sous-sol profond, aux murs en béton de 2,5 mètres d’épaisseur, il me montre un grand trou circulaire au centre du plafond haut de la pièce, dont les bords sont soutenus par quatre piliers solides. “D’ici quelques mois, si nous respectons le calendrier, c’est là que le tokamak Sparc s’installera”, déclare Sorbom. Autour d’une chambre à vide en forme de donut, une pile de 3 mètres de haut d’aimants supraconducteurs à haute température créera un puissant champ magnétique pour comprimer et corraler une masse tourbillonnante et surchauffée de plasma d’hydrogène. Imitant le processus qui alimente le soleil, les ions d’hydrogène – des isotopes appelés deutérium et tritium – accéléreront et entreront en collision avec une telle force qu’ils fusionneront en hélium et libéreront des neutrons hautement énergétiques. Commonwealth Fusion Systems affirme que cette bobine de bande supraconductrice à haute température est la clé de la conception du tokamak plus petit et moins cher de la startup. La bande est composée d’oxyde de poudre de cuivre de baryum d’yttrium déposée sur un substrat d’acier.
CFS, une startup issue de décennies de recherche au Massachusetts Institute of Technology (MIT), est l’un des leaders d’une nouvelle vague de projets d’énergie de fusion qui ont émergé au cours de la dernière décennie, profitant des avancées technologiques et d’une augmentation des investissements du secteur privé. Selon Andrew Holland, directeur de la Fusion Industry Association, ces entreprises ont levé plus de 5 milliards de dollars, dont la majorité depuis 2021. Toutes ces entreprises ont l’intention de démontrer un gain d’énergie positif – c’est-à-dire d’obtenir plus d’énergie à partir de leurs réactions qu’il n’en faut pour les déclencher – d’ici la fin de la décennie. “À ce stade, nous serons un pas de plus vers une nouvelle ère d’électricité de base sans carbone”, déclare Sorbom. “Nous espérons simplement pouvoir le faire à temps pour être une partie importante de la solution à la crise climatique.” La recherche, la construction et les tests du premier aimant de Commonwealth Fusion Systems ont nécessité l’expertise de 270 membres de l’équipe, dont certains sont illustrés ici pendant la construction.
Jusqu’à présent, Commonwealth Fusion Systems a stocké environ un tiers des 10 000 kilomètres de bande supraconductrice à haute température dont il aura besoin pour achever son réacteur Sparc.
Ce qui distingue la technologie de CFS, c’est l’utilisation de bande supraconductrice à haute température, qui est empilée et superposée pour créer des électroaimants extrêmement puissants qui façonneront et confineront le plasma indiscipliné et éloigneront la majeure partie des particules chargées des parois du tokamak. La société estime que cette approche innovante lui permettra de construire un tokamak haute performance beaucoup plus petit et moins cher que ce qui aurait été possible avec les approches précédentes.
Actuellement, il existe deux principaux axes de recherche dans l’énergie de fusion. La confinement magnétique utilise des électroaimants pour confiner le plasma, généralement à l’intérieur d’un tokamak. La confinement inertiel comprime et chauffe une cible remplie de combustible – souvent à l’aide de lasers – pour démarrer une réaction. Les progrès réalisés dans les deux approches s’accélèrent, grâce aux avancées en science des matériaux et en informatique à grande vitesse, en modélisation et en simulation. Parmi les adeptes du confinement magnétique, CFS est en tête en matière de collecte de fonds, ayant réuni plus de 2 milliards de dollars pour construire son usine pilote Sparc. En général, les matériaux supraconducteurs peuvent conduire l’électricité en courant continu sans résistance et perte d’énergie lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une température critique. Les aimants supraconducteurs à haute température (HTS), comme l’indique leur nom, peuvent avoir une supraconductivité à des températures beaucoup plus élevées que les aimants supraconducteurs traditionnellement utilisés dans les tokamaks, qui nécessitent généralement des systèmes de refroidissement plus complexes et plus coûteux impliquant de l’hélium liquide. Bien que “haute température” puisse suggérer quelque chose qui pourrait vous brûler, les matériaux HTS fonctionnent dans une plage de 20 à 77 kelvins (environ -200 à -250 °C). C’est encore froid, mais c’est beaucoup plus chaud que ce qui est nécessaire pour les supraconducteurs typiques, qui ne peuvent fonctionner qu’à des températures proches du zéro absolu. “Ces nouveaux matériaux ouvrent une nouvelle voie vers l’énergie de fusion, car en plus de leurs capacités supraconductrices à des températures cryogéniques plus élevées, ils peuvent également atteindre des champs magnétiques très élevés”, explique Scott Hsu, conseiller principal au ministère de l’Énergie des États-Unis (DOE) et coordinateur de la fusion de l’agence. “Ces propriétés offrent la possibilité de concevoir des systèmes de fusion plus petits, moins complexes et moins coûteux, qui sont plus rapides à construire et plus faciles à démonter pour l’entretien.” Les tokamaks compacts comme celui de CFS pourraient inverser les tendances de développement qui ont dominé les 40 dernières années de l’énergie de fusion, qui se sont concentrées sur la construction de machines de plus en plus grandes. Le plus grand d’entre eux est Iter, un effort collaboratif international visant à construire un tokamak massif à Cadarache, en France. En construction depuis 2013, l’expérience de fusion Iter (anciennement appelée International Thermonuclear Experimental Reactor) a englouti la majeure partie des fonds publics mondiaux consacrés à la recherche sur l’énergie de fusion. L’organisation Iter supervisant le projet estime désormais un coût de 22 milliards de dollars pour l’expérience, dépassant largement l’estimation initiale de 5,6 milliards de dollars en 2006. “Iter est une expérience extrêmement passionnante et utile, mais elle a un problème de taille”, déclare Sorbom de CFS. “Si vous pouvez somehow réduire ce tokamak, vous pourriez le construire beaucoup plus rapidement et à moindre coût.” Mais cela ne se produira pas. Avec son horizon de planification à long terme et sa structure de collaboration internationale, Iter est trop avancé pour bénéficier des aimants HTS de pointe qui permettent à CFS de construire son tokamak Sparc, qui est un quarantième de la taille d’Iter, en une fraction du temps et du coût. Dernière bande pour un tokamak.
Il est tentant de créer un récit “David contre Goliath” à partir de l’histoire des petites entreprises comme CFS qui s’opposent à Iter, l’une des expériences scientifiques les plus coûteuses de tous les temps. Mais à bien des égards, Sparc de CFS se tient sur les épaules d’Iter. Le projet Iter a considérablement amélioré les connaissances des chercheurs sur la fusion par confinement magnétique et a stimulé le développement de la chaîne d’approvisionnement mondiale hautement spécialisée de l’industrie et de la main-d’œuvre. En effet, chacun des six fondateurs de CFS a travaillé sur différents aspects d’Iter et a contribué à sa physique fondamentale. Parmi eux, se trouve le physicien des plasmas Bob Mumgaard, qui a développé des méthodes pour mesurer la distribution de courant électrique à l’intérieur des plasmas du tokamak. En 2015, Mumgaard a discuté avec un groupe de ses collègues chercheurs du MIT pour repenser l’approche de l’énergie de fusion. Les supraconducteurs à haute température s’étaient progressivement améliorés depuis 1986, lorsque des chercheurs d’IBM, Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller, les ont découverts, un exploit qui a valu aux deux hommes le prix Nobel de physique en 1987. Depuis lors, les expériences avec des matériaux céramiques et des terres rares et de nouvelles configurations ont augmenté les performances HT
