Un jour d'août 2023, une nouvelle a éclaté dans tous les principaux secteurs : le soleil artificiel chinois « Gyre 3 » a atteint pour la première fois un fonctionnement en mode haute contrainte sous un courant plasma de 1 million d'ampères, ce qui est un monument important de la carrière de fusion nucléaire contrôlable de la Chine. "Gyre 3" applique un type de fusion par confinement magnétique, ce qui signifie que le combustible est d'abord chauffé pour le transformer en plasma, puis le champ magnétique est utilisé pour contraindre les particules chargées dans le plasma à haute température, le faisant se déplacer en spirale, chauffant davantage le plasma jusqu'à ce qu'une réaction de fusion nucléaire se produise.
Pour parler franchement, parvenir à un fonctionnement en mode haute contrainte sous 1 million A de courant plasma revient à développer un cerceau d'or pour Sun Wukong. En récitant la malédiction qui se resserre, Sun Wukong peut faire de bonnes actions au lieu de faire des choses volontaires.
Dans le monde, il existe de nombreuses façons de parvenir à un confinement magnétique par fusion. Par exemple, la machine magnétique annulaire, également connue sous le nom de tokamak. Il fonctionne grâce à un champ électrique provoqué par un transformateur entraînant un courant (grande flèche rouge) à travers une colonne de plasma, créant un champ magnétique poloïdal qui plie le courant du plasma en un cercle (cercle vertical vert). Plier la colonne de plasma en cercle empêche les fuites et cela crée un vide à l’intérieur d’un récipient en forme de beignet. L’autre champ magnétique entourant la longueur du cercle est appelé champ magnétique toroïdal (cercle horizontal vert). Les deux champs se combinent pour former une courbe tridimensionnelle ressemblant à une structure en spirale (représentée en noir) dans laquelle le plasma est fortement confiné. Pour parler franchement, c’est comme un âne tirant un moulin. L'âne fera toujours le tour de la meule, puis produira une production grâce à la rotation de la meule.
Le plasma mentionné ci-dessus fait référence à l’état d’un gaz à des températures extrêmement élevées. Dans un plasma, les électrons sont arrachés aux atomes. Les atomes qui ont perdu des électrons en orbite autour du noyau sont dits dans un état ionisé et sont appelés ions. Le plasma est donc composé d’ions et d’électrons libres. Le plasma a une conductivité presque parfaite et, sous l'influence d'un champ magnétique, il présentera diverses structures tridimensionnelles, telles que des filaments, des cylindres et des doubles couches. Les champs magnétiques peuvent également être utilisés pour capturer, déplacer et accélérer divers plasmas. Il en va de même pour Sun Wukong. Il a été brûlé dans le four d'alchimie de Taishang Laojun avec des yeux perçants et des yeux dorés. Après être sorti, il pouvait voir à travers l'esprit aux os blancs d'un coup d'œil.
D’une manière générale, l’unité couramment utilisée dans la fusion nucléaire est le mégawatt, soit le MW. Par exemple, en 1991, le réacteur européen de fusion en anneau commun a réalisé pour la première fois une fusion contrôlée, produisant environ 1,7 MW d’électricité. Bien qu’elle ne dure que 2 secondes, elle constitue l’une des parties les plus importantes de l’histoire de l’énergie propre humaine. Cependant, dans l’article de presse original, nous ne voyons que l’unité de courant (Ampère), tandis que le mégawatt est le produit du courant et de la tension. Cela signifie que ce que "Gyre Current No. 3" met actuellement en œuvre est principalement une méthode de contrôle, qui peut être convertie en production d'électricité après l'entrée de la tension, c'est-à-dire l'allumage du réacteur. C'est pourquoi il est comparé au cerceau doré de Sun Wukong.
Pour donner un exemple inapproprié, même si une pile AA commune est connectée à « Hybrid 3 », sa production d'énergie peut atteindre 1,2 MW. Une explication déguisée de la teneur en or du plasma à confinement élevé de 1 million d'ampères.
Recherche et développement sur la voie de l’apprentissage
En novembre 2006, la Chine, l'Union européenne et sept autres parties ont signé un accord pour lancer le programme international de réacteur expérimental de fusion thermonucléaire. Ce projet est promu par ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), intégrant les principales réalisations scientifiques et technologiques de la fusion nucléaire à confinement magnétique contrôlé dans le monde aujourd'hui et résolvant un grand nombre de problèmes techniques. En 2007, la France a lancé la construction d'un tokamak de 500 MW.
Dans la machine, le plasma sera chauffé à 150 millions de degrés Celsius, soit 10 fois plus chaud que le noyau du soleil, pour réaliser des réactions de fusion nucléaire. En revanche, la température des aimants supraconducteurs de la machine est inférieure à moins 269 degrés Celsius. Ce tokamak nécessite au total environ 10 millions de pièces, qui sont amenées du monde entier sur le chantier de construction d'ITER. Quel est le concept de 150 millions de degrés Celsius ? Selon l'interprétation des générations ultérieures de "Journey to the West", le Samadhi True Fire de Red Boy n'est qu'à quatre ou cinq mille degrés Celsius. La température du réacteur équivaut à 300 000 Red Boy liés ensemble.
Selon le dernier rapport d'ITER, la machine est assemblée à 50 % et connaîtra sa première phase de fonctionnement en décembre 2025. Une fois que cette machine fonctionnera parfaitement, tous les combustibles fossiles du monde seront remplacés par de l'énergie propre.
Mais tout comme ce qui est décrit dans « Voyage vers l’Ouest », Sun Wukong possède de vastes pouvoirs surnaturels et un pouvoir magique illimité. C'est aussi un rêve insensé d'essayer de l'attacher avec juste un petit cerceau doré. En prenant comme exemple l'allumage le plus élémentaire, si la température du réacteur ne peut pas être chauffée à plus de 100 millions de degrés Celsius, alors le réacteur ne réagira pas. À l'heure actuelle, la principale méthode de chauffage est le chauffage ohmique, qui utilise une décharge à haute fréquence pour ioniser l'hydrogène neutre afin de former un plasma froid chauffé par le courant d'un grand champ magnétique poloïdal généré le long de la bobine toroïdale. Bien qu’il soit mentionné ci-dessus que le plasma a une conductivité presque parfaite, il possède également une certaine résistance et de la chaleur sera toujours générée lorsque le courant le traversera. Cependant, la résistivité du plasma chute fortement à mesure que la température des électrons augmente, ce qui entraîne une forte baisse de la densité de puissance du chauffage ohmique, ce qui limite l'utilisation du chauffage ohmique.
Une autre méthode est la méthode de chauffage par injection de faisceaux de particules neutres à haute énergie, qui est une méthode de chauffage principalement utilisée dans les tokamak. Le faisceau de particules neutres utilisé pour le chauffage du plasma est généralement un faisceau d’atomes de néon neutres à haute énergie. Les particules neutres à haute énergie ne sont pas affectées par le champ magnétique du dispositif de fusion et peuvent être directement injectées dans la zone centrale du plasma. Une fois que les atomes neutres entrent dans le plasma, ils sont immédiatement ionisés en ions grâce au processus d’échange de charge et de collision. Ces ions de haute énergie sont capturés par le champ magnétique, puis traversent une collision coulombienne avec le plasma d'origine. L'énergie est donnée au plasma pour atteindre l'objectif de chauffage.
Cependant, l'efficacité du faisceau d'ions à haute énergie dans la source d'ions pour capturer les électrons et les transformer en faisceaux de particules neutres dans la chambre à gaz neutralisée diminue fortement à mesure que l'énergie des particules augmente. Si un faisceau d'ions négatifs est extrait de la source d'ions, l'efficacité de conversion des ions négatifs en particules neutres ne diminue pas de manière significative à mesure que l'énergie augmente. En effet, il est beaucoup plus facile de séparer les électrons en excès des ions négatifs, une source d’ions négatifs de haute puissance est donc nécessaire.
De plus, une limitation importante de l'efficacité de chauffage du faisceau neutre est la présence d'impuretés de carbone et d'oxygène dues à l'absorption du gaz par la paroi du serpentin. La concentration de carbone et d'oxygène peut atteindre 1 %. L'échange de charges entre le faisceau neutre et ces impuretés produit des ions carbone et des ions oxygène très excités, qui perdent de l'énergie en raison de leur rayonnement linéaire, entraînant une diminution soudaine de l'efficacité du chauffage.
Tout comme il faut traverser quatre-vingt-une difficultés pour tirer des leçons de l'expérience, malgré les difficultés rencontrées sur la voie d'une fusion contrôlable, l'industrie nucléaire chinoise a déjà obtenu d'importants résultats de recherche dans de nombreux domaines depuis 1980. En raison des avantages mentionnés ci-dessus du tokamak, la communauté chinoise de recherche sur la fusion s'intéresse au plasma du tokamak depuis des décennies. De 1980 au milieu des années 1990, des tokamaks de petite et moyenne taille tels que HT-6B, HT-6M, HL- et HL-1M ont été développés.
En 1994 et 2002, sur la base d'équipements fournis par la Russie (Tokamak T-7) et l'Allemagne (Tokamak ASDEX), la Chine a construit respectivement le HT-7 et le HL-2A à l'Institut asiatique de physique scientifique et au SWIP, faisant de la Chine le quatrième pays capable de développer un tokamak supraconducteur. C'est précisément pour cette raison que la Chine a construit le premier Tokamak-EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, en abrégé EAST) au monde. EAST est le premier tokamak entièrement supraconducteur au monde doté de déflecteurs supérieur et inférieur. Il est conçu pour fonctionner en mode impulsion longue, en régime permanent et en mode haute contrainte, et a atteint 101 secondes de décharge en mode haute contrainte. EAST est en train de devenir l’un des tokamaks clés au monde et peut fournir des scénarios de fonctionnement hautes performances et à impulsions longues pour les futurs équipements (notamment ITER et CFETR).
En ce qui concerne l'entreprise chinoise de fusion par confinement magnétique, EAST n'est que la première étape. Ensuite, notre pays réalisera un mode à haute contrainte à impulsions longues et un fonctionnement en régime permanent du chauffage moderne, de la commande et du diagnostic du courant ; Grâce à HL-2M, nous étudierons la physique des plasmas à haute performance sous une puissance de chauffage auxiliaire élevée. La prochaine étape consiste à développer des technologies clés liées à ITER et au CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor). "Tous les voyageurs ne se sont pas égarés." Les quatre maîtres et disciples de Tang Monk avaient des directives claires et arrivèrent finalement au temple Leiyin pour obtenir la véritable écriture.
La construction du CFETR devrait être achevée dans les années 2030. Le plan d’opération du CFETR est divisé en deux phases. L’objectif de la première phase est d’atteindre une puissance de fusion de 100 à 200 MW. Cette phase explorera les opérations en régime permanent et l’autosuffisance en tritium en complément des opérations ITERQ=10. Q=10 est l’un des objectifs d’ITER, ce qui signifie produire dix fois la puissance restituée dans le plasma.
La deuxième phase devrait être achevée dans les années 2040. Le Tokamak CFETR d'une puissance de fusion de 1 GW sera également démontré à cette occasion. Le prototype de centrale à fusion (PFPP) devrait être construit vers 2060, ce qui constitue la dernière étape de la feuille de route de la Chine pour la fusion par confinement magnétique visant à établir une centrale à fusion commerciale. Dans la perspective actuelle, 2060 est dans moins de 40 ans et l'attente est encore longue. Mais dans le domaine de la fusion contrôlable, l’industrie chinoise de la fusion par confinement magnétique se développe rapidement.
Siège social du développement de l'énergie nucléaire en Asie
Du point de vue de la production d'énergie nucléaire par fission, il existe actuellement 9 242 grandes entreprises dans l'industrie électronucléaire chinoise. Le nombre d'entreprises enregistrées en 2021 est de 2 327, et 1 675 entreprises d'énergie nucléaire ont été enregistrées en 2022. Cela prouve également que l'industrie électronucléaire chinoise s'est développée très rapidement au cours des deux dernières années. Il convient de noter que la production d'énergie nucléaire de mon pays ne représente que 5 % de la production totale d'électricité, tandis que dans d'autres pays développés comme la Russie et le Royaume-Uni, leur production d'énergie nucléaire représente respectivement 19,6 % et 14,2 % de la production totale d'électricité. Il est vrai que notre pays a effectivement réalisé de nombreuses avancées majeures dans le domaine de la fusion contrôlable, mais si nous voulons parvenir à une société d'énergie propre véritablement à faibles émissions de carbone et à faibles émissions, la commercialisation de la connexion au réseau électrique nucléaire est également un lien incontournable.
L’utilisation de centrales à fusion pourrait réduire considérablement l’impact environnemental de l’augmentation de la demande mondiale d’électricité car, comme la production d’électricité par fission nucléaire, elles ne provoquent pas de pluies acides ni d’effet de serre. Étant donné la disponibilité immédiate du combustible, l’énergie de fusion peut facilement répondre aux besoins énergétiques associés à une croissance économique continue. Il n’y a aucun risque que la réaction de fusion devienne incontrôlable. Après tout, une fois que la réaction devient incontrôlable, rien ne se passe. Même si la fusion ne produit pas de produits radioactifs à vie longue et que les gaz non brûlés peuvent être éliminés sur place, des problèmes de déchets radioactifs subsisteront à court et moyen terme en raison de l'activation des matériaux de structure. En raison du bombardement de neutrons de haute énergie, certains matériaux constitutifs deviennent radioactifs pendant la durée de vie du réacteur et finissent par devenir des déchets radioactifs. De toute évidence, il s’agit également d’un aspect important qui doit être pris en compte lors de la commercialisation de la production d’énergie par fusion nucléaire.
Le PFPP sera la première étape de la commercialisation de la fusion nucléaire en Chine. Après "Gyres-3", il y aura "Gyres-4" et "Gyres-5". Chaque équipement apportera des percées et permettra finalement de réaliser une situation dans laquelle l'énergie propre de fusion nucléaire de mon pays pourra remplacer l'énergie carbonée traditionnelle non renouvelable.