Comment fonctionne le soleil artificiel de la Chine?

La majorité de l'énergie que nous utilisons dans notre vie quotidienne provient du soleil. Les plantes convertissent l'énergie solaire en glucides, les animaux mangent les plantes, puis les humains mangent les deux. Certaines de ces plantes et animaux se décomposent en combustibles fossiles, que nous utilisons ensuite pour chauffer nos maisons, charger nos téléphones et alimenter nos voitures. Mais que se passe-t-il si nous pouvions couper l'intermédiaire? Au cours des dernières années, les scientifiques en Chine ont fait d'énormes progrès vers l'atteinte de cet objectif avec la création d'un «soleil artificiel».

Bien sûr, la Chine n'a pas littéralement fait un soleil artificiel. Au lieu de cela, les scientifiques ont découvert des moyens d'exploiter le processus nucléaire qui alimente le soleil: la fusion. Contrairement à la fission nucléaire des réacteurs nucléaires modernes, dans lesquels les atomes se séparent, la fusion nucléaire combine deux atomes en un. La fusion de l'hydrogène libère une quantité massive d'énergie, avec l'hélium comme seul sous-produit. La fusion est donc une source d'énergie plus propre par rapport à la combustion des combustibles fossiles, qui libère les gaz à effet de serre, et la fission d'isotopes radioactifs, qui libère des déchets radioactifs.

Pourtant, la fusion est incroyablement difficile à contrôler. Pour commencer, il ne peut se produire qu'à des températures et des pressions extrêmement élevées. Au soleil, la fusion de l'hydrogène se produit à des millions de degrés et de milliards de pass de pression. Un tel environnement transforme la matière du soleil en plasma, le quatrième état de matière. Étant donné que le soleil a une masse d'environ 2 tonnes d'octillion (c'est un deux avec 27 zéros derrière!), Il n'est pas étonnant qu'il puisse atteindre des conditions aussi extrêmes. Atteindre ces conditions dans un laboratoire, cependant, est une entreprise herculéenne, et les contrôler est encore plus difficile. C'est pourquoi lorsque l'Institut chinois de la physique du plasma a produit avec succès le plasma et l'a maintenu régulièrement pendant plus de 1 000 secondes le 20 janvier 2025, c'était une étape révolutionnaire.

L'Institut chinois de la physique des plasma a réalisé sa percée à l'aide d'un réacteur nucléaire appelé Tokamak supraconducteur avancé expérimental, ou à l'est pour faire court. Des dizaines d'autres tokamaks existent dans des institutions scientifiques du monde entier, mais le réacteur oriental est le seul à avoir réussi et à maintenir le plasma de manière stable pendant une si longue période. Pourtant, compte tenu de toutes les complexités techniques impliquées dans l'ingénierie d'une machine qui peut exploiter et contenir la puissance du soleil, les principes de base de Tokamak sont relativement faciles à comprendre.

Le premier défi pour un réacteur Tokamak est la question du confinement. Parce que le plasma est si chaud, aucun matériau n'existe qui peut résister à le contact assez longtemps pour le contenir. Ainsi, plutôt que d'utiliser un récipient physique, un tokamak suspend le plasma dans un champ magnétique en forme de beignet – aucun contact requis. Pour y parvenir, le plasma est tourné pour orienter ses électrons dans une seule direction. Ce rotation donne au plasma une charge électromagnétique qui peut être utilisée pour le suspendre comme un aimant flottant.

Un autre défi dans la création d'un «soleil artificiel» est la pression impliquée. Au cœur du soleil, la fusion se produit à 50 à 60 millions de degrés Fahrenheit et une pression de 3,6 milliards de psi (246 milliards de fois la pression de surface de la Terre). Atteindre ces températures élevées est relativement facile; Les scientifiques de New York ont une fois atteint 7 billions de degrés Fahrenheit en 2005. Cependant, atteindre des pressions aussi élevées est beaucoup plus difficile, en particulier lors de l'utilisation d'électromaignes plutôt que de matériaux compressibles pour contenir le plasma. Ainsi, au lieu d'imiter le cœur du soleil, les scientifiques de Tokamak profitent de la relation directe entre la température et la pression, comme décrit dans la loi sur le gaz idéal. Le plasma dans le réacteur oriental a été porté à plus de 180 millions de degrés Fahrenheit, permettant à la pression de rester relativement faible.

Bien que le plasma dans le réacteur est n'entre pas en contact avec quoi que ce soit, il dégage toujours une quantité intense de chaleur par rapport aux composants environnants. En fait, bon nombre des défis techniques dans la conception d'un Tokamak ont moins à voir avec le concept et plus à voir avec l'aspect pratique de l'ingénierie d'une machine qui ne fondera pas ou échouera à chaque fois qu'elle est activée. Ainsi, de nombreux composants d'un tokamak sont fabriqués à partir de matériaux appelés supraconducteurs à haute température.

Un conducteur est tout matériau à travers lequel l'électricité peut s'écouler avec une résistance minimale. Les conducteurs couramment utilisés, comme le fil de cuivre, ont une certaine résistance, ils perdent donc une fraction de leur énergie sous forme de chaleur. Les supraconducteurs éliminent presque entièrement la résistance. La plupart des recherches sur les supraconducteurs se sont concentrées sur des matériaux supraconduants à basse température, qui ne peuvent atteindre leur résistance presque nulle à des températures extrêmement basses. Cependant, les supraconducteurs à haute température présentent une résistance presque nul même lorsqu'ils sont exposés à des températures extrêmement élevées. Lors de la construction d'une machine « Soleil artificiel » comme un tokamak, la conductivité résistante à la chaleur est essentielle pour maintenir les électromagnéts en marche.

La plupart des réacteurs tokamak du monde entier utilisent généralement des matériaux supraconducteurs à basse température et des matériaux conducteurs conducteurs, comme le cuivre. Le réacteur oriental, cependant, a utilisé un matériau supraconducteur à haute température appelé à la place de l'oxyde de cuivre barium (Rebco) à la terre rare. Rebco ne nécessite pas les systèmes de refroidissement massifs que les supraconducteurs à basse température font pour fonctionner. Mieux encore, il est plus économe en énergie, ce qui est l'objectif principal des réacteurs de fusion: retirer plus d'énergie du système que vous ne le faites. En fin de compte, plus les scientifiques comme ceux qui sont derrière le « soleil artificiel » de la Chine peuvent réduire la perte d'énergie dans les réacteurs de fusion, plus nous nous rapprochons du rêve d'énergie propre.