Les supraconducteurs à haute température (HTS) sont apparus comme une force de transformation dans la recherche sur l'énergie de fusion, débloquant de nouvelles possibilités pour les systèmes de confinement magnétique qui étaient auparavant inaccessibles aux supraconducteurs classiques à basse température (LTS). En opérant à des températures relativement élevées, les matériaux HTS permettent la conception d'aimants de fusion plus compacts, puissants et rentables, accélérant la voie vers une puissance de fusion commerciale pratique.

Qu'est-ce que les supraconducteurs à haute température?

Les supraconducteurs à haute température sont des céramiques qui présentent une résistance électrique nulle à des températures supérieures au point d'ébullition de l'azote liquide (77 K, ou −196 °C). C'est un contraste frappant avec les matériaux LTS classiques, tels que le niobium-titane (NbTi) et la niobium-étain (Nb3Sn), qui nécessitent un refroidissement à environ 4 K (−269 °C) à l'aide d'hélium liquide coûteux. Les familles HTS les plus courantes comprennent l'oxyde de cuivre yttrium barium (YBCO, souvent produit comme conducteurs revêtus) et l'oxyde de cuivre de bismuth strontium calcique (BSCCO, disponible comme bandes ou fils).

La température critique (Tc) des matériaux HTS dépasse 77 K pour de nombreux composés, le YBCO ayant un Tcenviron 90 K et le BSCCO environ 110 K. En plus de la haute c, ces matériaux peuvent supporter des densités critiques extrêmement élevées de courant (]J]c) et résister à des champs magnétiques très élevés, dépassant dans certains cas 30 T. Ces propriétés les rendent uniques pour l'environnement exigeant d'un réacteur de fusion, où les champs magnétiques doivent contenir du plasma à des températures supérieures à 150 millions de degrés Celsius.

Avantages de HTS dans le design d'aimant de fusion

L'adoption de matériaux HTS dans les aimants de fusion offre plusieurs avantages convaincants qui répondent directement aux limites des systèmes LTS. Ci-dessous, nous examinons chaque avantage en détail.

Champs magnétiques plus élevés

Les réacteurs à fusion comptent sur des champs magnétiques puissants pour limiter le plasma chaud et maintenir sa stabilité.Les aimants LTS sont généralement limités aux champs magnétiques d'environ 15 à 20 T en raison de leur champ critique supérieur inférieur (Bc2.Les matériaux HTS, en particulier les bandes YBCO, peuvent fonctionner dans des champs supérieurs à 30 T tout en portant des courants élevés.Cette plus grande résistance au champ permet aux dispositifs de fusion d'obtenir une plus grande densité de plasma et une plus grande pression de confinement, les paramètres clés d'une réaction de fusion soutenue selon le triple produit (densité, température, temps de confinement).

Réduction des coûts de refroidissement

Les aimants LTS nécessitent un refroidissement liquide à l'hélium, qui est coûteux et repose sur une infrastructure cryogénique complexe. L'hélium est une ressource finie, et le maintien d'un environnement de 4 K ajoute un coût et une complexité opérationnels importants. Les aimants HTS peuvent être refroidis avec de l'azote liquide (77 K) ou, plus pratiquement pour la fusion, avec des cryocoolateurs fonctionnant à 20-30 K. La température de fonctionnement plus élevée réduit la pénalité d'efficacité Carnot : le refroidissement à 20 K consomme environ 1/10 de la puissance nécessaire pour le refroidissement à 4 K. Cela réduit directement le coût de l'énergie de la centrale de fusion et simplifie le système cryogénique, ce qui le rend plus fiable et plus facile à entretenir.

Conception compacte

La capacité de générer des champs magnétiques plus forts avec HTS se traduit directement par des bobines magnétiques plus petites pour une résistance donnée au champ. Les aimants compacts réduisent l'empreinte globale du réacteur de fusion, ce qui permet une conception plus modulaire et rentable. Par exemple, le tokamak SPARC a un rayon majeur de seulement 1,83 m, par rapport au rayon de 6,2 m d'ITER, mais il vise à obtenir des performances comparables (Q ≥ 10).

Durabilité et fiabilité accrues

Les bandes HTS ont une marge de stabilité thermique plus élevée parce qu'elles peuvent absorber plus de chaleur avant de monter au-dessus de leur température critique.Cette propriété réduit le risque de dommages catastrophiques pouvant survenir dans les aimants LTS. De plus, les conducteurs HTS sont moins sensibles à la dégradation par irradiation des neutrons – avantage critique à l'intérieur d'un réacteur de fusion où les neutrons à haute énergie de la réaction D-T peuvent dégrader les propriétés des matériaux. Des études ont montré que les bandes YBCO conservent une grande partie de leur courant critique après des fluences modérées de neutrons, les rendant aptes à une exploitation à long terme dans un environnement de fusion.

Impact sur le développement des réacteurs de fusion

L'intégration de HTS a fondamentalement modifié le paysage de la conception des réacteurs de fusion, passant de grandes machines LTS coûteuses à des dispositifs plus petits et plus agiles qui visent à gagner plus tôt en énergie nette.

Permettre le tokamak compact

Bien qu'ITER soit censé produire une puissance nette (Q ≥ 10), sa taille et son coût (estimés à plus de 20 milliards de dollars) en font une expérience unique. HTS, d'autre part, permet des tokamaks compacts à champ élevé comme SPARC (développés par CFS en collaboration avec le Centre de Science et Fusion de MIT). SPARC utilisera des aimants de champ toroïdaux HTS produisant 12 T à l'aimant et plus de 8 T au centre plasma. Si succès, il démontrera un gain d'énergie net de fusion (Q ≥ 2) dans un appareil bien plus petit que ITER. Plusieurs autres entreprises privées, dont Tokamak Energy (UK), TAE Technologies (USA) et General Fusion (Canada), intègrent également HTS dans leurs conceptions, allant des tokamaks sphériques aux configurations inversées de champ.

Impact sur les Stellarators et autres concepts

Les Stellarators, qui offrent un fonctionnement à l'état stable sans courant plasmatique, bénéficient également du HTS. Le Stellarator Wendelstein 7-X en Allemagne utilise le LTS, mais les stellarators futurs pourraient adopter le HTS pour générer des champs magnétiques plus élevés et réduire la taille globale. L'amélioration de la résistance au champ du HTS peut améliorer le confinement et la stabilité du plasma, rendant les stellarators plus compétitifs par rapport aux tokamaks.

Progrès dans la fabrication de bandes HTS

Au cours de la dernière décennie, le coût et la disponibilité des bandes HTS se sont considérablement améliorés. Des entreprises comme SuperPower (qui fait maintenant partie de Furukawa Electric), AMSC (superconducteur américain) et Shanghai Superconducteur ont augmenté la production de conducteurs revêtus YBCO en utilisant des techniques telles que IBAD (dépôt assisté par faisceau d'ions) et MOCVD (dépôt de vapeur chimique métallique organique).Les longueurs de production actuelles dépassent 1 km par bande avec des courants critiques de plus de 500 A/cm-largeur à 77 K. Bien que les coûts demeurent supérieurs à LTS (10–100 $ par kA-m contre 1–5 $ par kA-m pour NbTi), l'écart se rétrécit à mesure que les volumes de fabrication augmentent.

Défis et obstacles restants

Malgré leur promesse, les matériaux HTS présentent plusieurs défis techniques qu'il faut surmonter avant d'être largement adoptés dans les réacteurs de fusion commerciale.

Brittleness du matériau et propriétés mécaniques

Les matériaux HTS sont des composés céramiques, ce qui signifie qu'ils sont intrinsèquement fragiles et susceptibles de se fissurer sous tension. Dans un aimant de fusion, les bobines sont soumises à de grandes forces de Lorentz qui peuvent produire des contraintes de plusieurs centaines de mégapascals. Si le ruban HTS craque, son courant critique se dégrade de façon irréversible. Pour atténuer cela, les bandes HTS sont souvent stratifiées avec un stabilisateur en cuivre ou en acier inoxydable, ce qui fournit un renforcement mécanique et une protection électrique en cas d'extinction.

Protection et stabilité des interrogations

Bien que le HTS ait une marge thermique plus élevée, la vitesse de propagation normale (NZPV) du HTS est extrêmement faible, souvent à quelques cm/s par rapport aux mètres/s du LTS. Cela signifie qu'un extinction locale pourrait ne pas se propager assez rapidement pour être détecté avant que le point chaud ne nuise au conducteur. Des méthodes de détection avancées, telles que les réseaux de robinets de tension, les capteurs d'émission acoustique et la détection de température répartie fibre optique, sont en cours de développement. De plus, les aimants HTS nécessitent des circuits de décharge robustes qui peuvent extraire l'énergie stockée rapidement sans survoler la bobine.

Coûts de fabrication élevés et scalabilité

Bien que les coûts des bandes HTS aient diminué, elles sont toujours un ordre de grandeur supérieur à LTS pour des performances équivalentes. Pour un réacteur commercial de fusion nécessitant des centaines de kilomètres de bandes, le coût peut facilement dépasser 1 milliard de dollars. L'augmentation de la fabrication pour réduire le coût par kA-m est essentielle. De plus, la production de bandes HTS de longue durée avec des propriétés uniformes est difficile; les défauts ou les points faibles peuvent limiter la capacité actuelle effective de l'aimant entier.

Résistance et cessations d'activité

Dans les grands aimants, il est souvent nécessaire de couper plusieurs bandes HTS ensemble ou de les relier à des fils de puissance. Les joints des conducteurs HTS ont généralement une résistance finie (de l'ordre des nano-ohms) en raison de la nécessité de transfert de courant entre les couches d'argent ou de cuivre. Sur un grand aimant, ces résistances à l'articulation peuvent conduire à des charges de chaleur importantes à des températures cryogéniques, augmentant les besoins en puissance de refroidissement.

Perspectives et orientations de la recherche

La prochaine décennie sera cruciale pour la fusion fondée sur le HTS. Plusieurs jalons sont à l'horizon :

  • Démonstration du gain énergétique net: SPARC devrait commencer à fonctionner en 2025-2026, en vue de Q ≥ 2. La réussite validerait les aimants HTS dans un environnement de fusion haute puissance.
  • Les usines pilotes et les réacteurs DEMO:[ Sur la base des résultats du SPARC, le CFS prévoit de construire ARC, une usine pilote de fusion de 200 MWe, d'ici le début des années 2030.
  • ]Des matériaux HTS avancés:[ supraconducteurs à base de fer et des cuprates à température supérieure (avec Tc > 120 K) sont à l'étude pour une meilleure performance.
  • Machine d'apprentissage pour la conception de matériel:[ Des approches axées sur l'IA sont utilisées pour optimiser la microstructure des bandes HTS, améliorer le courant critique et prédire la performance dans les conditions d'exploitation.
  • Intégration avec stockage d'énergie:[ Les aimants HTS peuvent également servir de systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES), fournissant une réponse rapide aux fluctuations du réseau.

Conséquences plus larges au-delà de la fusion

En médecine, les aimants HTS permettent des systèmes d'IRM et de RMN à plus haut champ avec une résolution améliorée et une taille plus réduite. En génie électrique, les limiteurs de courant de faille HTS, les transformateurs et les câbles sont déployés pour améliorer l'efficacité et la fiabilité du réseau. Les câbles HTS peuvent transmettre cinq à dix fois plus de puissance que les câbles en cuivre de même taille, offrant une solution pour les zones urbaines encombrées. Les accélérateurs de particules pour la science fondamentale et la thérapie contre le cancer bénéficient également des aimants HTS, car ils peuvent produire des champs de flexion plus élevés sur une empreinte compacte.

Conclusion

L'intégration de HTS a stimulé une vague d'initiatives de fusion privées et publiques qui visent à démontrer le gain net d'énergie au cours de cette décennie. Bien que des défis tels que la fragilité matérielle, la protection contre l'extinction et les coûts de fabrication demeurent, la recherche en cours et l'expansion industrielle surmontent constamment ces obstacles. À mesure que la technologie HTS arrive à maturité, elle permettra non seulement d'accélérer l'arrivée de la puissance de fusion commerciale, mais aussi de révolutionner d'autres secteurs dépendant des aimants à haut champ. Le mariage de HTS et de fusion est une synergie puissante, qui peut finalement fournir une énergie abondante et propre au monde.