Enlarge / Researchers at the Lawrence Livermore National Laboratory in California have used the world’s most powerful laser to fuse the nuclei of hydrogen isotope. (credit: John Jett & Jake Long/Lawrence Livermore National Laboratory/Reuters)

US government scientists have achieved net energy gain in a fusion reaction for the second time, a result that is set to fuel optimism that progress is being made toward the dream of limitless, zero-carbon power.

Physicists have since the 1950s sought to harness the fusion reaction that powers the Sun, but until December no group had been able to produce more energy from the reaction than it consumes—a condition also known as ignition.

Researchers at the federal Lawrence Livermore National Laboratory in California, who achieved ignition for the first time last year, repeated the breakthrough in an experiment on July 30 that produced a higher energy output than in December, according to three people with knowledge of the preliminary results.

Enlarge / The assembled magnet gets lowered into its testing apparatus. (credit: Commonwealth Fusion Systems)

In 2015, a group of physicists at MIT did some calculations to rethink how we're approaching the problem of fusion power. High-temperature, nonmetallic superconductors were now commercially available and could allow the generation of stronger magnetic fields, enabling a simpler, more compact fusion reactor. But the physicists behind the work didn't stop when the calculating was done; instead, they formed a company, Commonwealth Fusion Systems, and set out to put their calculations to the test.

On Tuesday, Commonwealth Fusion Systems announced that it had hit a key milestone on its roadmap to having a demonstration fusion plant operating in 2025. The company used commercial high-temperature superconductors to build a three-meter-tall magnet that could operate stably at a 20-tesla magnetic field strength. This magnet is identical in design to the ones that will contain the plasma at the core of the company's planned reactor.

Aggressive roadmap

Giving yourselves less than 10 years to solve a problem that an entire research field has been struggling with for decades is ambitious, but it reflects how relevant fusion could be to helping with the climate crisis we're facing. Several of the company's leaders mentioned climate change as an inspiration for their work.

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Enlarge / The magnetic fields inside a tokamak. (credit: Jong-Kyu Park, Princeton Plasma Physics Laboratory )

Depending on who you ask, fusion power is either already here (but no one will purchase my sekrit design!), never going to happen (so stop wasting money!), or a difficult problem that might be a partial solution to an even more difficult problem. The last, being the view of scientists who actually work in the field, is often lost in all the noise.

Out of this fog of discussion, a passel of papers emerged recently, all focused on a proposed fusion project: the SPARC tokamak. One of the surprising things about SPARC is its size. Coming in at just over 3m across, SPARC will be smaller than currently operating tokamaks, like JET, which is nearly 6m across. ITER, currently under construction in France, is over 12m across. Yet SPARC and ITER are projected to have about the same performance. Both are expected to produce more energy from fusion than the direct input energy, though neither is expected to produce useful power.

So why the difference? And what does this latest batch of papers tell us about the design?

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« Nos recherches confirment que notre concept a toutes les chances de fonctionner » , a affirmé récemment dans le New-York Times (relayé par Futurism ) Martin Greenwald, directeur adjoint du Centre de fusion nucléaire et de science des plasmas de l’Institut technologique du Massachusetts (MIT). Le concept est celui d’un réacteur à fusion nucléaire dite « compacte », appelé SPARC . La revue scientifique Journal of Plasma Physics publie aujourd’hui les travaux, répartis sur sept études distinctes, d’un consortium de 47 chercheurs spécialisés en physique nucléaire, émanant de 12 institutions différentes. Les physiciens sont si confiants de leurs résultats préliminaires qu’ils pensent pouvoir commencer la construction (financée par la compagnie privée Commonwealth Fusion Systems) de SPARC en juin 2021. Une fois celle-ci achevée, d’ici 2025, le réacteur devrait ensuite produire de l’électricité à partir de 2035 . « Ce que nous avons essayé de faire est de positionner le projet sur une base physique la plus solide possible , a ajouté Martin Greenwald, afin de garantir que (le réacteur) puisse fonctionner en connaissance de cause. »

Le SPARC est un tokamak de relative petite taille, un réacteur en forme de donut comme le HL-2M Tokamak , surnommé le « Soleil artificiel chinois ». À l’intérieur, il produit un « plasma brûlant » censé fusionner des isotopes d’hydrogène (H) en hélium (He) pour ainsi générer de l’énergie de manière auto-entretenue, sans apport complémentaire. Pour retenir l’immense pression thermique qui en résulte, le MIT fait appel à des aimants super-conducteurs, conçus pour créer un champ magnétique assez puissant pour la retenir. Ils seraient semblables à ceux utilisés par le réacteur ITER (pour International Thermonuclear Experimental Reactor) dont l’assemblage a commencé cet été en France. Si SPARC fonctionne comme les chercheurs l’assurent, il devrait être capable de produire deux fois plus d’énergie qu’il n’en faut pour alimenter sa réaction. Les physiciens nucléaires sont même confiants qu’une fois son plein potentiel atteint, il pourrait fournir l’équivalent de dix fois cette énergie . SPARC deviendrait alors comparable à son cousin européen ITER, pourtant bien moins « compact » en taille. Le premier ferait la taille d’un court de tennis tandis que le second sera plus large, en diamètre, qu’un terrain de football. D’après le New-York Times , SPARC devrait être aussi moins cher : son financeur a pour le moment injecté 200 millions de dollars, contre 22 milliards estimés pour ITER.

Pour en savoir (beaucoup) plus sur la fusion nucléaire, son fonctionnement et ses enjeux, nous vous invitons à (re)lire notre dossier détaillé sur la question « Fusion nucléaire : quand aurons-nous notre soleil artificiel ? » .

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L'Energie en fusion

• BÉCOULET, Alain (Author)
• 200 Pages - 01/23/2019 (Publication Date) - Odile Jacob (Publisher)

25,00 EUR

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