Le projet chinois de « soleil artificiel » a réalisé de nouvelles avancées dans le développement d'aimants supraconducteurs pour les réacteurs à fusion nucléaire. Le 27 juin, le plus grand composant supraconducteur de l'Installation de recherche intégrée sur les systèmes clés des machines de fusion (CRAFT), une grande infrastructure scientifique nationale, à savoir l'aimant toroïdal, a achevé son dernier processus de fabrication et a été validé par des experts. Parallèlement, l'aimant de la bobine centrale solénoïde supraconductrice à haute température a terminé avec succès les tests de paramètres en conditions de fonctionnement nominal, ses performances clés atteignant un niveau de pointe international. La réalisation successive de ces étapes clés pour les deux aimants principaux fournit une base d'ingénierie supraconductrice plus complète pour la construction future de réacteurs à fusion nucléaire en Chine.
L'aimant toroïdal est l'un des composants clés du système principal d'un réacteur à fusion. Il est chargé de générer le champ magnétique toroïdal et de confiner le plasma. La réaction de fusion nucléaire doit se produire dans un plasma à des températures de centaines de millions de degrés Celsius. Les matériaux ordinaires ne peuvent pas entrer directement en contact avec cet état extrême ; il est nécessaire de s'appuyer sur un champ magnétique puissant pour confiner le plasma dans la chambre à vide, réduisant ainsi l'impact des particules énergétiques sur les parois de l'appareil et les pertes d'énergie. Les performances de l'aimant toroïdal sont directement liées à l'intensité du champ magnétique, à la capacité de fonctionnement stable et à l'extensibilité technique du dispositif de fusion.
L'aimant supraconducteur toroïdal validé cette fois-ci mesure 21 mètres de long, 12 mètres de large et 3,3 mètres de haut, pour un poids total de 582 tonnes. C'est actuellement le plus grand aimant supraconducteur pour réacteur à fusion au monde. Son volume est 1,3 fois celui de l'aimant toroïdal du réacteur thermonucléaire expérimental international ITER, et son énergie stockée est trois fois supérieure. La combinaison de grandes dimensions, d'un stockage d'énergie élevé et d'une forte capacité de confinement impose des exigences extrêmement élevées en matière de matériaux conducteurs, de systèmes d'isolation, de supports structurels, d'environnement cryogénique, de processus de bobinage et de précision d'assemblage global.
La conception, le développement, les tests et la validation de cet aimant toroïdal ont duré six ans. Tous les maillons clés de la chaîne complète de l'aimant ont été réalisés de manière autonome et contrôlable au niveau national, avec un taux de localisation de 100 % pour les technologies de base. Au cours du projet, 47 brevets ont été demandés et accordés, et 14 normes ont été établies. Pour l'ingénierie de la fusion nucléaire, cela signifie que la Chine a développé une capacité autonome relativement complète dans les matériaux, la fabrication, les procédés, les tests et l'intégration de systèmes pour les grands aimants supraconducteurs de réacteurs à fusion. Il ne s'agit plus seulement d'une validation technologique individuelle, mais d'une entrée dans la phase de livraison d'ingénierie de grands composants.
L'achèvement des tests de paramètres en conditions de fonctionnement nominal pour l'aimant de la bobine centrale solénoïde supraconductrice à haute température constitue une autre avancée clé. Le rôle de la bobine centrale solénoïde est d'induire et de piloter le courant du plasma, tout en ajustant dynamiquement la configuration de confinement du plasma. Elle constitue le « cœur de démarrage et de régulation » du dispositif de fusion et doit fonctionner de manière stable dans des environnements de champ magnétique intense, de courant élevé et de forces électromagnétiques complexes. Les résultats des tests montrent que la bobine transporte un courant stable de 60 kA, stocke une énergie de 6,03 MJ, atteint un taux de variation maximal du champ magnétique de 5,1 T/s et une résistance de jonction de 0,87 nΩ, les indicateurs clés et les performances de base atteignant un niveau de pointe international.
L'aimant de la bobine centrale solénoïde est entièrement localisé, des matériaux supraconducteurs à la conception structurelle en passant par les processus de fabrication complets. L'équipe du projet a adopté une structure de support robuste à dispersion des contraintes et un schéma de conception d'aimant hybride haute et basse température. Elle a mené des recherches ciblées sur la conception d'aimants à haute stabilité pour les réacteurs à fusion et le développement de conducteurs supraconducteurs à haute température et à courant élevé, résolvant ainsi les défis techniques de résistance structurelle, de stabilité du conducteur, de fonctionnement cryogénique et de connexion à courant élevé dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Après les tests en conditions nominales, cet aimant possède désormais la base technologique clé nécessaire pour soutenir le fonctionnement des futurs dispositifs.
Les aimants supraconducteurs sont un système clé dans la construction technique des réacteurs à fusion nucléaire. Un réacteur à fusion doit non seulement réaliser l'allumage et le maintien du plasma, mais aussi fonctionner de manière stable pendant de longues périodes, en coopérant avec la chambre à vide, le système cryogénique, le système d'alimentation électrique, le divertor, la couverture et le système de contrôle. Si le système d'aimants ne peut pas répondre aux exigences de taille, de courant, de stockage d'énergie, de stabilité et de durée de vie, la mise à l'échelle ultérieure du dispositif sera limitée. Les percées réalisées avec les deux aimants principaux de CRAFT montrent que la Chine comble le fossé des capacités d'ingénierie pour la transition des dispositifs expérimentaux vers la validation des systèmes clés des machines de fusion.
La fusion nucléaire est considérée comme une direction importante pour l'énergie propre future, mais sa difficulté ne réside pas seulement dans la physique des plasmas, mais aussi dans la fabrication d'équipements complexes à grande échelle. Les aimants supraconducteurs doivent supporter d'énormes forces électromagnétiques dans un environnement cryogénique et fonctionner de manière intégrée avec les systèmes de vide, de blindage thermique, cryogénique, d'alimentation électrique et de contrôle. La signification fondamentale de la validation de l'aimant toroïdal et de l'achèvement des tests en conditions nominales de la bobine centrale solénoïde supraconductrice à haute température est de faire passer les composants clés des plans de conception et des prototypes partiels à des entités techniques à grande échelle, en conditions de fonctionnement complètes et validables.
Après cette nouvelle percée dans le développement d'aimants supraconducteurs pour les réacteurs à fusion nucléaire en Chine, les prochaines priorités se concentreront sur l'intégration des systèmes, la mise en service coordonnée des dispositifs, la validation du fonctionnement à long terme et la capacité de réplication technique. Ces deux réalisations fournissent un support technique pour la construction de réacteurs à fusion en ce qui concerne le champ magnétique de confinement toroïdal à grande échelle et l'aimant d'entraînement du courant central. Elles renforceront également la capacité de la Chine en matière de recherche et développement indépendants et de construction technique dans les domaines des équipements énergétiques de fusion, des matériaux supraconducteurs, des conducteurs à courant élevé, de l'ingénierie cryogénique et de la fabrication de pointe.