Parlez de l'énergie de fusion, et les gens ici penseront aux percées réalisées au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) dans la fusion - la combinaison - des noyaux d'isotopes d'hydrogène. Mais il existe d'autres types d'énergie de fusion, y compris un long shot qui vient de recevoir un grand coup de pouce de l'Agence des projets de recherche avancée du ministère de l'Énergie-Énergie (ARPA-E).
Nat Fisch (deuxième à gauche) et son équipe de recherche étudient la fusion proton-bore11, que Fisch appelle "le Saint Graal d'une énergie de fusion vraiment propre et vraiment abondante". L'équipe de Fisch comprend deux post-doctorants, Ian Ochs (à droite) et Elijah Kolmes (au centre), tous deux titulaires d'un doctorat en 2022. anciens élèves de Princeton et deux étudiants diplômés, Mikhail Mlodik (deuxième à droite) et Tal Rubin (à gauche).
Photo de Denise Applewhite, Bureau des communicationsCe projet de recherche audacieux étudie le "Saint Graal" de l'énergie de fusion propre, a déclaré Nat Fisch, professeur de sciences astrophysiques à l'Université de Princeton et chercheur principal du nouveau projet . Contrairement à la fusion deutérium-tritium (DT) poursuivie pendant des décennies, lui et son équipe veulent exploiter la réaction de fusion d'un proton avec un ion bore-11 (pB11).
"Bien sûr, la réaction de fusion la plus simple est de loin la DT", a déclaré Fisch, qui est également directeur du programme de physique des plasmas à l'université et directeur associé des affaires académiques au PPPL. "C'est assez difficile, mais c'est toujours l'approche la plus sensée à poursuivre, et on m'a appris à l'école doctorale que la réaction pB11 ne peut pas être pratique. Pourtant, pB11 est le Saint Graal d'une énergie de fusion vraiment propre et vraiment abondante.
Emily Carter, qui a récemment été nommée conseillère stratégique principale pour la science du développement durable chez PPPL, a déclaré : "L'énergie de fusion a le potentiel de fournir une électricité stable pour alimenter le monde sans l'intermittence et les besoins en terres des parcs solaires et éoliens, et cela vaut donc notre investissement. Carter est également professeur Gerhard R. Andlinger de Princeton en énergie et environnement ainsi que professeur de génie mécanique et aérospatial, du Andlinger Center for Energy and the Environment, et de mathématiques appliquées et computationnelles.
Fisch a récemment appris que son équipe recevrait 1,5 million de dollars du programme ARPA-E OPEN 2021, qui accorde la priorité au financement de technologies prenant en charge de nouvelles approches pour relever les défis de l'énergie propre.
En annonçant les projets ARPA-E sélectionnés, la secrétaire américaine à l'Énergie, Jennifer Granholm, a déclaré : "Les universités, les entreprises et nos laboratoires nationaux redoublent d'efforts pour faire progresser l'innovation et la fabrication de technologies d'énergie propre en Amérique afin de fournir des solutions énergétiques essentielles, des énergies renouvelables à la fusion. l'énergie pour faire face à la crise climatique.
Il y a une énorme énergie disponible dans les éléments transformants : dans le cas de la fission nucléaire par scission de noyaux lourds, dans le cas de la fusion par combinaison de noyaux légers, une réaction nucléaire qui ne comporte pas de risques de fission. "Pour préserver le climat de notre planète, des sources d'énergie sans carbone comme la fusion sont nécessaires", a déclaré Fisch. "L'énergie de fusion offre des avantages par rapport à la fission", a-t-il poursuivi, "non seulement en raison de son approvisionnement inépuisable en combustible, mais aussi parce qu'elle évite les risques d'accidents de réacteurs, de prolifération nucléaire ou de déchets nucléaires à longue durée de vie".
L'effort mondial s'est concentré sur la réaction de fusion la plus simple, utilisant deux formes d'hydrogène : le deutérium et le tritium. La principale approche pour exploiter l'énergie de cette réaction est le tokamak, un dispositif en forme de beignet qui confine la réaction à travers de grands champs magnétiques. Le Princeton Plasma Physics Laboratory est un chef de file mondial dans cette approche.
Un autre type de réaction de fusion
Le projet Princeton récemment financé par l'ARPA-E, "Economical Proton-Boron11 Fusion", n'est pas seulement une variante de la fusion DT, mais utilise à la place une fusion entièrement différente réaction, fusionnant un proton (le noyau d'un atome d'hydrogène) et un noyau de bore 11 (cinq protons et six neutrons). Les deux types de réactions de fusion libèrent une énergie énorme, mais la réaction proton-bore11 (pB11) nécessite une température beaucoup, beaucoup plus élevée que la réaction DT.
"La réaction DT est déjà un défi colossal, nécessitant des centaines de millions de degrés, donc une réaction nécessitant des températures encore plus élevées est considérée comme pratiquement impossible", a déclaré Fisch. « De plus, même si ces températures pouvaient être atteintes, à des températures aussi élevées, les électrons produisent des rayons X qui emportent plus d'énergie que l'énergie produite lors de la réaction de fusion. Par conséquent, pour de bonnes raisons, la réaction pB11 a été écartée comme une réelle possibilité d'énergie de fusion économique.
"Mais, malgré ces défis", a déclaré Fisch, "la réaction pB11 est alléchante." Entre autres avantages, les protons et le bore-11 sont facilement disponibles, naturellement et à moindre coût. "Le seul problème est que les défis sont insurmontables », a déclaré Fisch.« Ou sont-ils?
Son équipe propose de maintenir les protons et le bore à différentes températures et principalement à différents endroits, ce qui limiterait la perte de chaleur vers l'environnement tout en maximisant la réactivité de fusion. La clé : tirer parti de la grande disparité de masse entre les protons et le bore en faisant tourbillonner vigoureusement le plasma, de sorte que les protons les plus légers résident principalement dans une région beaucoup plus chaude, tandis que les ions de bore les plus lourds résident dans une région plus froide.
"Nos idées à ce sujet sont très lointaines", a déclaré Fisch. "Mais tant que nous ne violons aucune loi fondamentale de la thermodynamique - et nous nous en approcherons de très près ! — Je pense que nous avons l'obligation d'explorer pleinement le potentiel de hausse de la fusion pB11. Notre proposition est purement théorique, elle ne nécessite donc pas les ressources importantes associées aux expériences. Cependant, si nos idées se concrétisent, peut-être improbables mais fantastiques si elles le font, nous aurons besoin de partenaires pour nous aider à naviguer expérimentalement dans les principales incertitudes.
Il a poursuivi : "Mais, avant même de construire des expériences, nous aurons besoin de partenaires, probablement en dehors de notre spécialité de physique des plasmas, pour faire avancer notre concept. Il y a de nouvelles considérations d'ingénierie interdisciplinaires qui doivent être confrontées dans la fusion pB11. départements, en plus de l'expertise en physique des plasmas trouvée au PPPL.
L'équipe de Fisch comprend actuellement deux post-doctorants, Ian Ochs et Elijah Kolmes, et deux étudiants diplômés, Mikhail Mlodik et Tal Rubin. Ochs et Kolmes sont titulaires d'un doctorat en 2022. diplômés de Princeton avec des diplômes en sciences astrophysiques. Leurs thèses, toutes deux dirigées par Fisch, portaient sur des sujets apparemment éloignés du projet pB11, mais fournissant certains de ses principaux fondements théoriques.
"Le problème pB11 nous amène à un certain nombre de questions fondamentales de physique, tout en nous mettant au défi de résoudre des énigmes pratiques avec un grand potentiel", a déclaré Kolmes, qui a également obtenu un diplôme de premier cycle à Princeton en physique en 2015. "Que nous réussissions ou non, nous aurons certainement du plaisir à découvrir des choses intéressantes. De plus, l'équipe est agréable à travailler. C'est un environnement très convivial et collaboratif.
Ochs, qui était un Jacobus Fellow, la plus haute distinction de Princeton pour un étudiant diplômé, a confirmé : "C'est une équipe qui travaille très bien ensemble depuis de nombreuses années. Même lorsque nous avons dû passer du rassemblement autour du tableau noir au rassemblement sur Zoom, nous n'avons jamais perdu le sens étroit de la collaboration et du soutien qui nous a permis de combiner les compétences et la base de connaissances uniques de chaque personne pour résoudre des problèmes difficiles et complexes. Cet esprit d'équipe est illustré par le grand nombre de publications co-écrites produites par le groupe. Nous sommes extrêmement enthousiastes à l'idée d'utiliser cette base solide pour relever l'un des plus grands défis de la recherche sur la fusion : une énergie de fusion aneutronique véritablement propre. »
Cette recherche est soutenue par l'Agence pour les projets de recherche avancée-Énergie (ARPA-E), qui fait progresser les technologies énergétiques à fort potentiel et à fort impact en développant des façons entièrement nouvelles de générer, de stocker et d'utiliser l'énergie. Les projets de recherche et développement OPEN 2021 visent à développer des technologies perturbatrices pour renforcer l'entreprise énergétique de pointe du pays.
