Tokamak, énergie de fusion et importance de ses bobines et de ses alimentations électriques

Au cours du siècle dernier, la production d'énergie a été assurée, pour l'essentiel, par des centrales fonctionnant aux combustibles fossiles. Cependant, depuis quelques années, les effets néfastes de cette source d'énergie sur l'environnement ont suscité une prise de conscience collective quant à la nécessité de rechercher des sources alternatives pour la production d'énergie. Dans ce processus, ce sont les énergies renouvelables, telles que l’énergie solaire ou éolienne, qui sont à l’avant-garde de ce changement. Cependant, la dépendance de ces sources d’énergie vis-à-vis des conditions climatiques rend difficile la mise en place d’un système 100 % renouvelable et applicable partout sur la planète. C’est là qu’apparaît la nécessité de rechercher une source d’énergie différente et alternative, capable de fonctionner comme un système central venant compléter et parachever la production énergétique issue des sources renouvelables. L’énergie de fusion nucléaire s’impose dans ce contexte comme une solution prometteuse permettant de parvenir à une société durable, sans consommation de combustibles fossiles, sans émissions de gaz à effet de serre ni déchets radioactifs hautement polluants.

Qu’est-ce que l’énergie de fusion?

L’énergie de fusion vise à exploiter l’énergie libérée lors de la fusion de noyaux atomiques légers. Lorsque deux particules de ce type fusionnent, le noyau résultant est légèrement plus léger que les noyaux d’origine. La différence, cependant, ne disparaît pas, mais se transforme en énergie. Ce qui est vraiment étonnant, c’est que cette perte minime de masse se traduit par une quantité colossale d’énergie. C’est la raison pour laquelle tant d’entreprises privées et d’organismes publics se sont lancés à la conquête de l’énergie de fusion.

Pour mieux comprendre la théorie de cette source d’énergie, il faut se tourner vers la physique. Il existe trois états de la matière : solide, liquide et gazeux. Mais si l’on continue à soumettre un gaz à des températures extrêmement élevées, il se transforme en plasma. Dans cet état, les électrons se séparent des atomes. Lorsqu’un atome ne possède plus d’électrons en orbite autour du noyau, on dit qu’il est ionisé et on l’appelle un ion. Le plasma est donc composé d’ions et d’électrons libres. Dans cet état, les scientifiques peuvent stimuler les ions pour qu’ils entrent en collision les uns avec les autres, fusionnent et libèrent de l’énergie. C’est là qu’interviennent la conception et le fonctionnement du Tokamak.

Qu’est-ce que le Tokamak et comment fonctionne-t-il?

La recherche en matière de fusion nucléaire progresse rapidement vers la mise au point d’une solution commerciale et industrielle permettant d’exploiter les quantités colossales d’énergie produites par cette nouvelle source d’énergie propre. L’un des dispositifs les plus avancés est celui connu sous le nom de Tokamak, dans lequel de puissants champs magnétiques créent et confinent un plasma dans une enceinte en forme de beignet où la réaction de fusion a lieu.

Quel est le rôle des alimentations électriques dans tout cela?

Les alimentations électriques constituent l’un des éléments les plus importants et les plus critiques de la conception d’un Tokamak. Il est difficile de maintenir la stabilité des plasmas afin d’en extraire de l’énergie. Ceux-ci sont chaotiques, atteignent des températures extrêmement élevées et ont tendance à subir des turbulences et d’autres instabilités. Comprendre, modéliser et contrôler le plasma est extrêmement complexe, mais les chercheurs ont réalisé d’importants progrès grâce à l’utilisation de dispositifs de confinement magnétique pour manipuler les plasmas. Les champs magnétiques sont induits par des bobines, qui doivent être alimentées par des formes de courant spécifiques contrôlées par leurs sources d’alimentation.

En raison des courants élevés requis dans les tokamaks, les systèmes d’alimentation constituent un élément exigeant de la conception. La plupart des tokamaks importants utilisent des systèmes à base de thyristors, raccordés au réseau ou à des volants d’inertie, bien que les nouvelles tendances s’orientent vers des sources d’alimentation modulaires et flexibles basées sur des supercondensateurs et des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT).

Skylife, concepteur des alimentations électriques du tokamak SMART de l’Université de Séville

Un nouveau dispositif tokamak destiné à la recherche sur l’énergie de fusion, baptisé SMART (SMall Aspect Ratio Tokamak, tokamak à faible rapport d’aspect), est en cours de conception à l’Université de Séville.

Skylife Engineering, dans le cadre de son engagement en faveur du développement durable et des projets complexes et innovants, participe à ce projet avec sa gamme de électronique de puissance, en tant que responsable de la conception et de la fabrication des bobines de champ magnétique, du système micro-ondes et du système d’alimentation électrique du Tokamak SMART, sous la direction de l’Université de Séville.

Le système de bobines est composé de 3 sous-systèmes, conçus pour générer et contrôler le flux de plasma à l’intérieur de la chambre à vide. Au total, plus de 3 000 kg de cuivre à haute conductivité seront utilisés.

Le système à micro-ondes de 6 kW fonctionnant à 2,45 GHz agit comme un catalyseur dans le processus de génération du plasma à l’intérieur de la chambre à vide.

Le système d’alimentation électrique se compose de cinq équipements destinés à générer une impulsion magnétique dans le système de bobines qui formera et contrôlera le flux de plasma dans la chambre à vide. Les impulsions électriques seront générées par des batteries de supercondensateurs, pouvant être rechargées à l’aide du courant électrique domestique.

L'objectif est la mise en place d'un tokamak sphérique compact, unique en Espagne, qui devienne une référence mondiale dans le développement de la fusion par confinement magnétique.