Section 2Ingénierie de la fusion

Le combustible aneutronique et les machines compactes qui lui conviennent

Université à laboratoire national. · 3 min de lecture

Ce qu'elle propose

Brûler du proton et du bore-11 plutôt que du deutérium et du tritium. La réaction donne trois noyaux d'hélium et 8,7 millions d'électronvolts sans neutrons dans le canal principal, si bien que les produits reviennent sous forme de particules chargées qu'on peut convertir directement en courant plutôt qu'en neutrons contre lesquels il faut se blinder et dont les dégâts limitent la durée de vie de la machine. Le combustible aneutronique change aussi la taille de machine qui a du sens — petite, propre et rapide à itérer plutôt qu'à l'échelle du gigawatt.

À qui elle s'adresseIngénieurs plasma · Concepteurs d'électronique de puissance · Constructeurs de détecteurs

Avant toute machine, le combustible pose des exigences. Le proton et le bore-11 demandent bien plus d'énergie ionique que les combustibles faciles, et cette énergie se paie en rayonnement que la charge même du combustible fait monter. Parcourez les quatre exigences ci-dessous, chacune tirée d'un article que cette carte cite déjà, et la taille et le type de machine qui y répondent cessent d'être une préférence.

L'échelle proton–bore

Le proton et le bore-11 donnent trois noyaux d'hélium, 8,7 millions d'électronvolts et aucun neutron dans le canal principal. Ce gain s'achète par quatre exigences que le combustible pose avant toute chose, et chacune resserre le type de machine capable d'y répondre. Parcourez les barreaux : quelle énergie les ions doivent atteindre, ce que cette chaleur coûte en rayonnement, jusqu'où le produit à trois facteurs doit monter, et quelles machines ont obtenu la densité et le champ. Ce que les fiches énoncent comme un rapport et non comme une grandeur est dessiné comme un rapport, et cela est dit sur la face même de la figure.

Les quatre exigences, dans l'ordre

1 · L'énergie ionique que la réaction demande2 · Ce que cette énergie coûte en rayonnement3 · Le produit à trois facteurs4 · Quelles machines ont atteint la densité

Quelle énergie les ions doivent-ils atteindre ?

Non dessiné, et pourquoi. Trente fois la température du deutérium-tritium. L'article donne le rapport et aucune des deux températures, donc le rapport est dessiné comme un crochet et aucun second combustible n'est placé sur cet axe. Le deutérium-tritium apparaît parce que cet article s'en sert comme de son propre point de référence — le combustible candidat à la plus basse température de fonctionnement — et pour aucune autre raison. Lisez les articles d'où viennent ces chiffres (en anglais)Rien ici ne bouge tout seul. Le dessin ne change que lorsque vous choisissez un autre barreau.

La combustion proton-bore-11 demande des énergies ioniques moyennes bien au-dessus de 100 keV, et Magee et ses collègues situent la température dont aurait besoin un réacteur thermonucléaire sur ce combustible à trente fois celle du deutérium-tritium — qu'ils nomment comme le combustible candidat à la plus basse température de fonctionnement, et qu'ils utilisent comme point de référence. Les machines ont atteint cette bande : le FF-1 de LPPFusion a enregistré une énergie ionique confinée moyenne de 240 keV, et le Large Helical Device a fait ses protons avec des faisceaux d'hydrogène à 160 kilovolts. L'énergie n'est plus l'obstacle qu'elle était.

Les machines que ces exigences sélectionnent

Le premier axe est une énergie ionique confinée moyenne et non une température ; ce sont deux mesures différentes et cette figure n'écrit jamais l'une pour l'autre. Là où le produit du troisième barreau emploie une énergie ionique moyenne à la place d'une température, ce pas est celui de la source elle-même et il y est argumenté.

Ce combustible est plus difficile que le deutérium-tritium et ses propres promoteurs le disent dans les articles dessinés ici. Magee et ses collègues le formulent exactement : la voie proton-bore échange des difficultés d'ingénierie en aval contre des difficultés de physique d'aujourd'hui. Ce que l'on achète avec ces difficultés, c'est une réaction dont les produits reviennent en particules chargées que l'on peut convertir directement, dans une machine assez petite pour itérer dessus.

Chaque chiffre ci-dessus, et la fiche dont il provient

Pourquoi la bibliothèque le suggère

Placez les machines que cette fiche nomme sur le plan où tout le domaine arbitre — densité ionique d'un côté, temps de confinement de l'autre, et chaque position un ordre de grandeur plutôt qu'un record.

Toutes les machines de fusion, sur un seul graphique

Chaque machine de ce chapitre répond à la même question d'une manière différente : tenir la matière assez dense, assez énergétique, assez longtemps pour que les noyaux fusionnent. Comme ces trois facteurs se compensent, les familles s'étalent le long d'une diagonale — un piège magnétique tient un plasma ténu pendant une seconde, un pilote inertiel tient un plasma énormément dense pendant une fraction de nanoseconde, et un pinch se place entre les deux. Choisissez une famille, puis une machine, et lisez ce qu'elle comprime et pendant combien de temps.

Approche de confinement

Machine

À côté de l'axe : aucun de ces trois nombres n'est publié

3. Century, Zap Energy

La ligne inclinée est le produit de la densité par le temps de confinement qu'un plasma de deutérium-tritium doit atteindre à la température que cette barre suppose. Les machines situées au-dessus et à droite ont le produit ; tout l'art du domaine est d'y arriver avec une machine qui survit.Les deux axes sont logarithmiques et chaque position est un ordre de grandeur : le régime dans lequel une famille travaille, ni un tir record ni une citation. Le graphique compare des architectures. Ce n'est pas un tableau des scores, et déplacer un peu une machine sur l'un ou l'autre axe ne changerait pas ce qu'il enseigne.Une machine est ici nommée à côté de l'axe plutôt que tracée dessus. Son propre article ne publie ni densité ionique, ni température du plasma, ni temps de confinement : il n'y a donc pas de place honnête pour elle sur ces axes. Ce qu'elle publie, en revanche, est écrit en entier à côté. Cette case vide est la leçon : une machine peut être réelle, en fonctionnement et bien documentée, et n'avoir malgré tout aucune position sur ce graphique.Rien ne bouge ici tout seul. Le graphique ne change que lorsque vous choisissez une famille ou une machine.

Machine choisie

Z-pinch à écoulement cisaillé, FuZE

Ce que cette machine comprime: Un écoulement axial cisaillé garde la colonne calme, et les neutrons sortent régulièrement tant qu'elle dure.

Densité ionique, particules par mètre cube:: 10²³
Tenu pendant:: 10^-5 s
Énergie ionique:: 1,8 keV — une température ionique du plasma
Produit triple : densité fois énergie fois temps de confinement:: 3,5 ordres de grandeur en dessous de la barre du deutérium-tritium

La fiche source publie les valeurs de densité et de confinement qui la situent sur ce graphique. Sa valeur d’énergie est montrée séparément. Une position montre un régime publié, pas une affirmation de performance ni de gain net. Lisez la fiche source pour l’expérience décrite.

Ouvrir la fiche de source de cette machine (en anglais)

TAE Technologies et l'Institut national japonais des sciences de la fusion ont produit la première fusion proton-bore-11 à l'intérieur d'un plasma confiné magnétiquement, en injectant de la poudre de bore au bord du Large Helical Device et en tirant trois faisceaux d'hydrogène de 2 MW à 160 kilovolts ; un détecteur au silicium hors de la ligne de visée directe du plasma a compté environ 150 000 produits de fusion par seconde en présence de bore et moins d'un millier sans (First measurements of p11B fusion in a magnetically confined plasma, 2023). Leur propre conclusion nomme le levier qui intéresse ce site : le taux peut être poussé en concevant la distribution des particules plutôt qu'en élevant seulement la température. Le focus à plasma dense de LPPFusion rapporte une énergie ionique confinée moyenne de 240 kiloélectronvolts — dans la plage que nécessite le proton-bore-11 — issue d'un plasmoïde de seulement quelques dizaines de microns de large portant une large part de l'énergie totale de la machine, les produits émergeant sous forme d'un faisceau d'ions d'un côté et d'un faisceau d'électrons de l'autre, si bien qu'un courant est induit directement dans une bobine (Focus Fusion: Overview of Progress Towards p-B11 Fusion with the Dense Plasma Focus, 2023). L'ordre de mission pour les premiers tirs au décaborane, avec les instruments déjà installés, est Preparations for pB11 tests in the FF-2B dense plasma focus (2024). Du côté compact, la configuration à champ inversé de Princeton tient son plasma à l'intérieur de lignes de champ fermées que le plasma fabrique largement lui-même, dans un tube de quatre à huit mètres de long, chauffé par un champ magnétique rotatif de parité impaire ; PFRC-2 a chauffé des électrons au-delà de 500 électronvolts et tenu des plasmas pendant 300 millisecondes (The Princeton Field-Reversed Configuration for Compact Nuclear Fusion Power Plants, 2023), et Samuel Cohen plaide pour toute cette classe de taille devant le comité qui fixe les priorités de la décennie dans FESAC Decadal Study: Clean, multi-purpose fusion power from small field-reversed configuration reactors (2024).

L'expérience ou la construction

L'échelon à court terme est la conversion directe, non l'allumage. Prendre une machine existante qui produit des produits de fusion chargés à n'importe quel taux, et instrumenter la collecte : placer une bobine ou un jeu de grilles polarisées sur le trajet des produits et mesurer l'énergie électrique récupérée par événement de fusion. La mesure qui tranche est le nombre de joules d'électricité produits par joule d'énergie de produit de fusion, sur une vraie machine, avec le rendement de collecte indiqué séparément du rendement de fusion. Ce chiffre est tout l'argument économique en faveur du combustible aneutronique et il n'est presque jamais publié.

Contexte de recherche

La fusion proton-bore-11 a été mesurée dans un plasma confiné magnétiquement et dans un accélérateur, les machines compactes existent en tant que matériel, et aucune machine aneutronique nulle part n'a atteint le gain net.

Prenez cette fiche

La mesure qui tranche: La mesure qui tranche est le nombre de joules d'électricité produits par joule d'énergie de produit de fusion, sur une vraie machine, avec le rendement de collecte indiqué séparément du rendement de fusion.
Ce qu'il faut pour commencer: Université à laboratoire national.
L'ingénieur qu'elle forme: Le problème de la conversion directe en particulier est un problème d'ingénierie électrique caché à l'intérieur d'un domaine de physique des plasmas.

Ce sur quoi elle repose