Énergie de fusion inertielle laser - Laser Inertial Fusion Energy

Rendu de la centrale à fusion LIFE.1. Le système de fusion se trouve dans le grand bâtiment de confinement cylindrique au centre.

LIFE , abréviation de Laser Inertial Fusion Energy , était un effort d' énergie de fusion mené au Lawrence Livermore National Laboratory entre 2008 et 2013. LIFE visait à développer les technologies nécessaires pour convertir le concept de fusion par confinement inertiel à laser en cours de développement dans le National Ignition Facility ( NIF) en une centrale électrique commerciale pratique , un concept généralement connu sous le nom d' énergie de fusion inertielle (IFE). LIFE utilisait les mêmes concepts de base que NIF, mais visait à réduire les coûts en utilisant des éléments combustibles produits en série, une maintenance simplifiée et des lasers à diode avec une efficacité électrique plus élevée.

Deux conceptions ont été envisagées, fonctionnant soit comme un système de fusion pure ou hybride fusion-fission . Dans le premier cas, l'énergie générée par les réactions de fusion est utilisée directement. Dans ce dernier cas, les neutrons émis par les réactions de fusion sont utilisés pour provoquer des réactions de fission dans une couverture environnante d' uranium ou d'un autre combustible nucléaire , et ces événements de fission sont responsables de la majeure partie de la libération d'énergie. Dans les deux cas, des systèmes de turbine à vapeur conventionnels sont utilisés pour extraire la chaleur et produire de l'électricité.

La construction du NIF s'est achevée en 2009 et il a commencé une longue série de tests de démarrage pour le porter à pleine puissance. En 2011 et en 2012, le NIF a mené la « campagne d'allumage nationale » pour atteindre le point auquel la réaction de fusion devient auto-entretenue , un objectif clé qui est une exigence de base de tout système IFE pratique. Le NIF a échoué dans cet objectif, avec des performances de fusion bien inférieures aux niveaux d'allumage et considérablement différentes des prévisions. Le problème de l'allumage n'étant pas résolu, le projet LIFE a été annulé en 2013.

Le programme LIFE a été critiqué par son développement pour être basé sur une physique qui n'avait pas encore été démontrée. Dans une évaluation pointue, Robert McCrory, directeur du Laboratoire d'énergie laser , a déclaré : « À mon avis, les promesses excessives et les ventes excessives de LIFE n'ont pas rendu service au laboratoire Lawrence Livermore.

Fond

Le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) est un leader dans le domaine de la fusion par confinement inertiel (ICF) par laser depuis que le concept initial a été développé par l'employé du LLNL John Nuckols à la fin des années 1950. L'idée de base était d'utiliser un pilote pour comprimer une petite pastille connue sous le nom de cible qui contient le combustible de fusion, un mélange de deutérium (D) et de tritium (T). Si la compression atteint des valeurs suffisamment élevées, des réactions de fusion commencent à se produire, libérant des particules alpha et des neutrons . Les alphas peuvent avoir un impact sur les atomes du carburant environnant, les chauffant au point de subir également une fusion. Si le taux de chauffage alpha est supérieur aux pertes de chaleur dans l'environnement, le résultat est une réaction en chaîne auto-entretenue connue sous le nom d' inflammation .

En comparant l'apport d'énergie d'entraînement à la sortie de l' énergie de fusion produit un nombre connu comme facteur de gain de l' énergie de fusion , marquée Q . Une valeur Q d'au moins 1 est requise pour que le système produise de l'énergie nette. Étant donné qu'une certaine énergie est nécessaire pour faire fonctionner le réacteur, pour qu'il y ait une production électrique nette, Q doit être d'au moins 3. Pour un fonctionnement commercial, des valeurs Q beaucoup plus élevées que cela sont nécessaires. Pour ICF, des Q de l'ordre de 25 à 50 sont nécessaires pour récupérer à la fois les pertes de génération électrique et la grande quantité d'énergie utilisée pour alimenter le conducteur. A l'automne 1960, des travaux théoriques menés au LLNL suggèrent que des gains de l'ordre requis seraient possibles avec des conducteurs de l'ordre de 1 MJ.

À l'époque, un certain nombre de pilotes différents ont été envisagés, mais l'introduction du laser plus tard dans l'année a fourni la première solution évidente avec la bonne combinaison de fonctionnalités. Les énergies souhaitées étaient bien au-delà de l' état de l'art en matière de conception laser, c'est pourquoi LLNL a lancé un programme de développement au milieu des années 1960 pour atteindre ces niveaux. Chaque augmentation d'énergie a conduit à des phénomènes optiques nouveaux et inattendus qui ont dû être surmontés, mais ceux-ci ont été en grande partie résolus au milieu des années 1970. Travaillant en parallèle avec les équipes laser, les physiciens étudiant la réaction attendue à l'aide de simulations informatiques adaptées des travaux sur la bombe thermonucléaire ont développé un programme connu sous le nom de LASNEX qui suggérait que Q de 1 pourrait être produit à des niveaux d'énergie beaucoup plus faibles, dans la gamme des kilojoules, niveaux que le laser l'équipe était maintenant en mesure de livrer.

À partir de la fin des années 1970, LLNL a développé une série de machines pour atteindre les conditions prédites par LASNEX et d'autres simulations. À chaque itération, les résultats expérimentaux ont démontré que les simulations étaient incorrectes. La première machine, le laser Shiva de la fin des années 1970, produisait une compression de l'ordre de 50 à 100 fois, mais ne produisait pas de réactions de fusion proches des niveaux attendus. Le problème a été attribué au problème de la lumière laser infrarouge chauffant les électrons et les mélangeant dans le carburant, et il a été suggéré que l'utilisation de la lumière ultraviolette résoudrait le problème. Cela a été résolu sur le laser Nova des années 1980, qui a été conçu dans le but spécifique de produire un allumage. Nova a produit de grandes quantités de fusion, avec des tirs produisant jusqu'à 10 7 neutrons, mais n'a pas atteint l'allumage. Cela a été attribué à la croissance des instabilités de Rayleigh-Taylor , qui ont considérablement augmenté la puissance du conducteur requise.

En fin de compte, tous ces problèmes ont été considérés comme bien compris, et une conception beaucoup plus large a émergé, NIF. Le NIF a été conçu pour fournir environ le double de l'énergie de commande requise, permettant une certaine marge d'erreur. La conception du NIF a été finalisée en 1994, la construction devant être achevée en 2002. La construction a commencé en 1997, mais a duré plus d'une décennie, la construction majeure ayant été déclarée terminée en 2009.

LA VIE

Tout au long du développement du concept ICF à LLNL et ailleurs, plusieurs petits efforts ont été faits pour envisager la conception d'une centrale électrique commerciale basée sur le concept ICF. Les exemples incluent SOLASE-H et HYLIFE-II. Alors que le NIF touchait à sa fin en 2008, avec les diverses préoccupations considérées comme résolues, LLNL a commencé un effort de développement plus sérieux de l'IFE, LIFE.

Hybride fusion-fission

Lorsque le projet LIFE a été proposé pour la première fois, il se concentrait sur le concept hybride fusion-fission nucléaire , qui utilise les neutrons rapides issus des réactions de fusion pour induire la fission dans des matières nucléaires fertiles . Le concept hybride a été conçu pour produire de l'électricité à partir de combustible nucléaire fertile et fissile et pour brûler des déchets nucléaires. La couverture de combustible a été conçue pour utiliser du combustible à base de TRISO refroidi par un sel fondu composé d'un mélange de fluorure de  lithium  (LiF) et  de fluorure de béryllium  (BeF 2 ).

Les centrales électriques à fission conventionnelles reposent sur la réaction en chaîne provoquée lorsque les événements de fission libèrent des neutrons thermiques qui provoquent d'autres événements de fission. Chaque événement de fission dans U-235 libère deux ou trois neutrons avec environ 2 MeV d' énergie cinétique . Grâce à une disposition minutieuse et à l'utilisation de divers matériaux absorbants, les concepteurs peuvent équilibrer le système de sorte que l'un de ces neutrons provoque un autre événement de fission tandis que l'autre ou les deux autres sont perdus. Cet équilibre est connu sous le nom de criticité . L'uranium naturel est un mélange de trois isotopes ; principalement U-238 , avec un peu d'U-235, et des traces d'U-234. Les neutrons libérés lors de la fission de l'un ou l'autre des principaux isotopes provoqueront la fission dans l'U-235, mais pas dans l'U-238, qui nécessite des énergies plus élevées autour de 5 MeV. Il n'y a pas assez d'U-235 dans l'uranium naturel pour atteindre la criticité. Les réacteurs nucléaires commerciaux à eau légère , les réacteurs de puissance les plus répandus dans le monde, utilisent du combustible nucléaire contenant de l'uranium enrichi de 3 à 5 % en U-235 tandis que le reste est en U-238.

Chaque événement de fusion dans le réacteur de fusion DT dégage une particule alpha et un neutron rapide avec environ 14 MeV d'énergie cinétique. C'est assez d'énergie pour provoquer la fission de l'U-238, ainsi que de nombreux autres éléments transuraniens . Cette réaction est utilisée dans les bombes H pour augmenter le rendement de la section de fusion en l'enveloppant dans une couche d' uranium appauvri , qui subit une fission rapide lorsqu'elle est touchée par les neutrons de la bombe à fusion à l'intérieur. Le même concept de base peut également être utilisé avec un réacteur à fusion comme LIFE, utilisant ses neutrons pour provoquer la fission dans une couverture de combustible de fission. Contrairement à un réacteur à fission, qui brûle son combustible une fois que l'U-235 tombe en dessous d'une certaine valeur seuil, ces réacteurs hybrides fission-fusion peuvent continuer à produire de l'énergie à partir du combustible de fission tant que le réacteur à fusion continue de fournir des neutrons. Comme les neutrons ont une énergie élevée, ils peuvent potentiellement provoquer de multiples événements de fission, conduisant le réacteur dans son ensemble à produire plus d'énergie, un concept connu sous le nom de multiplication d'énergie . Même les restes de combustible nucléaire provenant des réacteurs nucléaires conventionnels brûleront de cette façon. Ceci est potentiellement attrayant car cela brûle de nombreux radio-isotopes à longue durée de vie dans le processus, produisant des déchets qui ne sont que légèrement radioactifs et dépourvus de la plupart des composants à longue durée de vie.

Dans la plupart des conceptions d'énergie de fusion, les neutrons de fusion réagissent avec une couche de lithium pour produire un nouveau tritium comme combustible. Un problème majeur avec la conception fission-fusion est que les neutrons provoquant la fission ne sont plus disponibles pour la production de tritium. Bien que les réactions de fission libèrent des neutrons supplémentaires, ceux-ci n'ont pas assez d'énergie pour compléter la réaction de reproduction avec le Li-7, qui constitue plus de 92 % du lithium naturel. Ces neutrons de plus faible énergie entraîneront la reproduction du Li-6, qui pourrait être concentré à partir du minerai de lithium naturel. Cependant, la réaction Li-6 ne produit qu'un tritium par neutron capturé, et plus d'un T par neutron est nécessaire pour compenser la désintégration naturelle et les autres pertes. En utilisant du Li-6, les neutrons de la fission compenseraient les pertes, mais seulement au prix de les empêcher de provoquer d'autres réactions de fission, réduisant ainsi la puissance de sortie du réacteur. Le concepteur doit choisir ce qui est le plus important ; brûler le combustible par des neutrons de fusion ou fournir de l'énergie par des événements de fission auto-induits.

L'économie des conceptions de fission-fusion a toujours été discutable. Le même effet de base peut être créé en remplaçant le réacteur à fusion central par un réacteur à fission spécialement conçu et en utilisant les neutrons excédentaires de la fission pour produire du combustible dans la couverture. Ces réacteurs surgénérateurs rapides se sont avérés non rentables dans la pratique, et le coût plus élevé des systèmes de fusion dans l'hybride fission-fusion a toujours suggéré qu'ils ne seraient pas rentables à moins qu'ils ne soient construits dans de très grandes unités.

IFE pur

La construction en plusieurs parties de la chambre cible du National Ignition Facility serait également utilisée dans LIFE. Plusieurs chambres seraient utilisées dans une centrale électrique de production, ce qui permettrait de les remplacer pour la maintenance.

Le concept LIFE a cessé de fonctionner le long des lignes de fusion-fission vers 2009. À la suite de consultations avec leurs partenaires de l'industrie des services publics, le projet a été réorienté vers une conception de fusion pure avec une puissance électrique nette d'environ 1 gigawatt.

La fusion par confinement inertiel  est l'un des deux axes majeurs de développement de la puissance de fusion, l'autre étant la fusion par confinement magnétique (MCF), notamment le concept de tokamak qui est en cours de construction dans un système expérimental majeur appelé ITER . Le confinement magnétique est largement considéré comme l'approche supérieure et a connu une activité de développement considérablement plus importante au fil des décennies. Cependant, il existe de sérieuses inquiétudes quant au fait que l'approche MCF d'ITER ne puisse jamais devenir économiquement pratique.

L'un des problèmes de coût pour les conceptions de MCF comme ITER est que les matériaux du réacteur sont soumis au flux de neutrons intense créé par les réactions de fusion. Lorsque des neutrons de haute énergie impactent des matériaux, ils déplacent les atomes dans la structure, ce qui entraîne un problème connu sous le nom de fragilisation par les neutrons qui dégrade l'intégrité structurelle du matériau. C'est également un problème pour les réacteurs à fission, mais le flux et l'énergie de neutrons dans un tokamak sont supérieurs à la plupart des conceptions à fission. Dans la plupart des conceptions MFE, le réacteur est construit en couches, avec une chambre à vide interne toroïdale, ou "première paroi", puis la couverture de lithium et enfin les aimants supraconducteurs qui produisent le champ qui confine le plasma. Les neutrons s'arrêtant dans la couverture sont souhaitables, mais ceux qui s'arrêtent dans la première paroi ou les aimants les dégradent. Le démontage d'un empilement toroïdal d'éléments serait un processus fastidieux qui conduirait à un faible facteur de capacité , ce qui aurait un impact significatif sur l'économie du système. La réduction de cet effet nécessite l'utilisation de matériaux exotiques qui n'ont pas encore été développés.

Comme effet secondaire naturel de la taille des éléments combustibles et des explosions qui en résultent, les conceptions ICF utilisent une très grande chambre de réaction de plusieurs mètres de diamètre. Cela abaisse le flux de neutrons sur une partie particulière de la paroi de la chambre grâce à la loi de l' inverse des carrés . De plus, il n'y a pas d'aimants ou d'autres systèmes complexes à proximité ou à l'intérieur du réacteur, et le laser est isolé de l'autre côté des longs chemins optiques. L'autre côté de la chambre est vide, ce qui permet d'y placer la couverture et de l'entretenir facilement. Bien que les parois de la chambre de réaction et l'optique finale finissent par se fragiliser et doivent être remplacées, la chambre est essentiellement une grosse bille d'acier de construction multi-pièces relativement simple qui pourrait être remplacée sans trop d'effort. La chambre de réaction est, dans l'ensemble, considérablement plus simple que celles des concepts de fusion magnétique, et les conceptions de LIFE ont proposé d'en construire plusieurs et de les faire entrer et sortir rapidement de la production.

Limites de l'IFE

Les énormes lampes flash de NIF sont à la fois inefficaces et peu pratiques. LIFE a exploré des solutions pour remplacer ces lampes par des lasers à LED plus petits et beaucoup plus efficaces.

Le laser de NIF utilise un système de grands tubes éclair (comme ceux d'une lampe flash de photographie) pour pomper optiquement un grand nombre de plaques de verre. Une fois que les plaques sont flashées et se sont installées dans une inversion de population , un petit signal d'un laser séparé est envoyé dans les lignes optiques, stimulant l'émission dans les plaques. Les plaques déversent ensuite leur énergie stockée dans le faisceau en croissance, l'amplifiant des milliards de fois.

Le procédé est extrêmement inefficace en termes d'énergie ; Le NIF alimente les tubes éclair avec plus de 400 MJ d'énergie qui produit 1,8 MJ de lumière ultraviolette (UV). En raison des limitations de la chambre cible, le NIF n'est capable de gérer que des sorties de fusion jusqu'à environ 50 MJ, bien que les tirs soient généralement environ la moitié de cela. Compte tenu des pertes dans la production, peut - être 20 MJ d'énergie électrique peut être extrait au maximum, représentant moins de 1 / 20 de l'énergie d'entrée.

Un autre problème avec les lasers NIF est que les tubes éclair créent une quantité importante de chaleur, qui réchauffe suffisamment le verre laser pour le déformer. Cela nécessite une longue période de réflexion entre les prises de vue, de l'ordre de 12 heures. En pratique, NIF gère une cadence de tir inférieure à un tir par jour. Pour être utile en tant que centrale électrique, une douzaine de tirs devraient avoir lieu chaque seconde, bien au-delà des capacités des lasers NIF.

Lorsqu'il a été conçu à l'origine par Nuckols, le confinement par fusion inertielle par laser devait nécessiter des lasers de quelques centaines de kilojoules et utiliser des gouttelettes de carburant créées par un dispositif de brumisateur de parfum . Les recherches de LLNL depuis lors ont démontré qu'un tel arrangement ne peut pas fonctionner et nécessite des assemblages usinés pour chaque tir. Pour être économiquement utile, une machine IFE devrait utiliser des assemblages combustibles qui coûtent quelques centimes. Bien que LLNL ne publie pas de prix pour ses propres cibles, le système similaire du Laboratoire d'énergie laser de l' Université de Rochester établit des cibles pour environ 1 million de dollars chacune. Il est suggéré que les objectifs du FNI coûtent plus de 10 000 $.

Mercure

LLNL avait commencé à explorer différentes solutions au problème du laser lors de la première description du système. En 1996, ils ont construit un petit système de banc d'essai connu sous le nom de laser Mercury qui a remplacé les tubes éclair par des diodes laser.

L'un des avantages de cette conception était que les diodes créaient de la lumière autour de la même fréquence que la sortie du verre laser, par rapport aux tubes éclair à lumière blanche où la majeure partie de l'énergie du flash était gaspillée car elle n'était pas proche de la fréquence active du laser. un verre. Ce changement a augmenté l'efficacité énergétique à environ 10 %, une amélioration spectaculaire.

Pour toute quantité donnée d'énergie lumineuse créée, les diodes lasers émettent environ une / trois autant de chaleur que d' un tube à éclairs. Moins de chaleur, combinée à un refroidissement actif sous forme d'hélium soufflé entre les diodes et les couches de verre laser, a éliminé le réchauffement du verre et permet à Mercure de fonctionner en continu. En 2008, Mercury était capable de tirer 10 fois par seconde à 50 joules par tir pendant des heures.

Plusieurs autres projets menés en parallèle avec Mercury ont exploré diverses méthodes et concepts de refroidissement permettant de regrouper de nombreuses diodes laser dans un très petit espace. Ceux-ci ont finalement produit un système avec 100 kW d'énergie laser à partir d'une boîte d'environ 50 centimètres (20 pouces) de long, connue sous le nom de réseau de diodes. Dans une conception LIFE, ces matrices remplaceraient le boîtier de diodes moins dense de la conception Mercury.

Faisceau dans une boîte

LIFE était essentiellement une combinaison des concepts Mercury et de nouvelles dispositions physiques pour réduire considérablement le volume du NIF tout en le rendant beaucoup plus facile à construire et à entretenir. Alors qu'une ligne de faisceau NIF pour l'un de ses 192 lasers mesure plus de 100 mètres (330 pieds) de long, LIFE était basé sur une conception d'environ 10,5 mètres (34 pieds) de long qui contenait tout, des alimentations aux optiques de conversion de fréquence. Chaque module était complètement indépendant, contrairement au NIF qui est alimenté par un signal central de l'oscillateur maître, permettant aux unités d'être retirées et remplacées individuellement pendant que le système dans son ensemble continuait de fonctionner.

Chaque cellule de commande dans la conception de base de LIFE contenait deux des matrices de diodes à haute densité disposées de chaque côté d'une grande dalle de verre laser. Les baies étaient refroidies par des tuyaux de raccordement à chaque extrémité du module. L'impulsion laser initiale était fournie par un module préamplificateur similaire à celui du NIF, dont la sortie était commutée dans la ligne de lumière principale via un miroir et le commutateur optique de la cellule de Pockel . Pour maximiser l'énergie déposée dans le faisceau du verre laser, des commutateurs optiques ont été utilisés pour envoyer le faisceau vers des miroirs afin de refléter la lumière à travers le verre quatre fois, d'une manière similaire au NIF. Enfin, la mise au point et le nettoyage optique étaient assurés par des optiques de chaque côté du verre, avant que le faisceau ne quitte le système via un convertisseur de fréquence à une extrémité.

La petite taille et l'indépendance des modules laser ont permis de se passer de l'immense bâtiment du NIF. Au lieu de cela, les modules ont été disposés en groupes entourant la chambre cible dans un arrangement compact. Dans les conceptions de base, les modules étaient empilés en groupes de 2 de large sur 8 de haut dans deux anneaux au-dessus et au-dessous de la chambre cible, faisant briller leur lumière à travers de petits trous percés dans la chambre pour les protéger du flux de neutrons revenant.

L'objectif ultime était de produire un système qui pourrait être expédié dans un camion semi-remorque conventionnel à la centrale électrique, fournissant une énergie laser avec une efficacité de bout en bout de 18%, 15 fois celle du système NIF. Cela réduit les gains de fusion requis dans la zone 25 à 50, dans les valeurs prédites pour NIF. Le consensus était que ce système de « faisceau dans une boîte » pourrait être construit pour 3 cents par watt de sortie laser, et cela réduirait à 0,7 cents/W en production soutenue. Cela signifierait qu'une usine LIFE complète nécessiterait environ 600 millions de dollars de diodes seules, ce qui est important, mais dans le domaine des possibilités économiques.

Objectifs bon marché

Les cibles de NIF (centrées, dans le support) sont des assemblages usinés coûteux qui coûtent des milliers de dollars chacun. LIFE a travaillé avec des partenaires de l'industrie pour réduire ce montant à moins d'un dollar.

Les cibles pour le NIF sont extrêmement chères. Chacun se compose d'un petit cylindre métallique à extrémité ouverte avec des fenêtres transparentes à double vitrage scellant chaque extrémité. Afin de convertir efficacement la lumière du laser pilote en rayons X qui entraînent la compression, le cylindre doit être recouvert d'or ou d'autres métaux lourds . A l'intérieur, suspendue à de fins fils de plastique, se trouve une sphère creuse en plastique contenant le carburant. Afin de fournir une implosion symétrique, le cylindre métallique et la sphère en plastique ont des tolérances d'usinage extrêmement élevées. Le combustible, normalement un gaz à température ambiante, est déposé à l'intérieur de la sphère puis congelé par cryogénie jusqu'à ce qu'il adhère à l'intérieur de la sphère. Il est ensuite lissé en le réchauffant lentement avec un laser infrarouge pour former une couche lisse de 100 µm à l'intérieur de la pastille. Chaque cible coûte des dizaines de milliers de dollars.

Pour répondre à cette préoccupation, une quantité considérable d'efforts de LIFE a été consacrée au développement de conceptions de cibles simplifiées et de constructions automatisées qui réduiraient leur coût. En collaboration avec General Atomics , l'équipe LIFE a développé un concept utilisant des usines de combustible sur site qui produiraient en masse des pastilles à un rythme d'environ un million par jour. On s'attendait à ce que cela réduise leur prix à environ 25 cents par objectif, bien que d'autres références suggèrent que le prix cible était plus proche de 50 cents, et les propres estimations de LLNL vont de 20 à 30 cents.

Un avantage moins évident du concept LIFE est que la quantité de tritium requise pour démarrer le système est considérablement réduite par rapport aux concepts MFE. Dans MFE, une quantité relativement importante de combustible est préparée et placée dans le réacteur, nécessitant une grande partie de l'approvisionnement en tritium civil du monde juste pour le démarrage. VIE, en vertu de la petite quantité de carburant dans une pastille, peut commencer à fonctionner avec du tritium beaucoup moins, de l'ordre de 1 / 10 .

Conception générale

Système de fusion LIFE.1/MEP. Les lasers sont les boîtes grises disposées en groupes en haut et en bas du bâtiment de confinement (les inférieures sont à peine visibles). Leur lumière, en bleu, est renvoyée à travers les chemins optiques dans la chambre cible au centre. La machinerie de gauche fait circuler le lithium liquide ou FLiBe , qui retire la chaleur de la chambre pour la refroidir, fournit de la chaleur aux générateurs et extrait le tritium pour le carburant.

Les premiers modèles de fusion-fission n'étaient pas bien développés et seuls les contours schématiques du concept ont été montrés. Ces systèmes ressemblaient à une version réduite du NIF, avec des lignes de lumière d'environ 100 mètres (330 pieds) de long de chaque côté d'une chambre cible et d'une zone de production d'électricité. Le laser a produit 1,4 MJ de lumière UV 13 fois par seconde. La fusion a eu lieu dans une chambre cible de 2,5 mètres (8 pi 2 po) entourée de 40 tonnes courtes (36 000 kg) de combustible de fission non enrichi, ou alternativement d'environ 7 tonnes courtes (6 400 kg) de Pu ou d'uranium hautement enrichi provenant d'armes. . Le système de fusion devait produire Q de l'ordre de 25 à 30, résultant en 350 à 500 MW d'énergie de fusion. Les processus de fission déclenchés par la fusion ajouteraient un gain énergétique supplémentaire de 4 à 10 fois, résultant en une puissance thermique totale comprise entre 2000 et 5000 MWth . L'utilisation de systèmes de conversion thermique-électrique à haut rendement tels que les conceptions du cycle de Rankine en combinaison avec des générateurs de vapeur supercritiques démontrés permettrait de transformer environ la moitié de la production thermique en électricité.

En 2012, la conception de base du concept de fusion pure, connu sous le nom d'usine d'entrée sur le marché (MEP), s'était stabilisée. Il s'agissait d'une conception autonome avec toute la section de fusion emballée dans un bâtiment cylindrique en béton semblable à un bâtiment de confinement de réacteur à fission, bien que plus grand à 100 mètres (330 pieds) de diamètre. Le bâtiment central était flanqué de chaque côté de bâtiments rectangulaires plus petits, l'un contenant les turbines et les systèmes de gestion de l'énergie, l'autre l'usine de tritium. Un troisième bâtiment, soit attenant à l'usine, soit derrière celle-ci selon le schéma, servait à la maintenance.

À l'intérieur du bâtiment de fusion central, les lasers à faisceau dans une boîte étaient disposés en deux anneaux, l'un au-dessus et l'autre au-dessous de la chambre cible. Un total de 384 lasers fournirait 2,2 MJ de lumière UV à une longueur d'onde de 0,351 micromètre, produisant un Q de 21. Un canon à gaz léger a été utilisé pour tirer 15 cibles par seconde dans la chambre cible. À chaque tir, la température de la paroi interne de la chambre cible passe de 600 °C (1 112 °F) à 800 °C (1 470 °F).

La chambre cible est une structure à deux parois remplie de lithium liquide ou d'un alliage de lithium entre les parois. Le lithium capte les neutrons des réactions pour produire du tritium et sert également de boucle de refroidissement primaire. La chambre est remplie de gaz xénon qui ralentirait les ions de la réaction et protégerait la paroi interne, ou première paroi , du flux massif de rayons X. Parce que la chambre n'est pas fortement pressurisée, comme un noyau de fission, elle n'a pas besoin d'être construite comme une seule sphère. Au lieu de cela, la chambre LIFE est construite à partir de huit sections identiques qui incluent des connexions intégrées à la boucle de refroidissement. Ils sont expédiés à l'usine et boulonnés ensemble sur deux supports, puis entourés d'un cadre spatial à base de tubes.

Pour faire face à la fragilisation, l'ensemble de la chambre cible a été conçu pour être facilement déroulé du centre du bâtiment sur des rails jusqu'au bâtiment de maintenance où il pourrait être reconstruit. La chambre devait durer quatre ans et être remplacée dans un mois. Le système optique est découplé de la chambre, ce qui l'isole des vibrations pendant le fonctionnement et permet de ne pas réaligner les lignes de lumière elles-mêmes après le remplacement de la chambre.

La centrale avait une capacité de production de pointe, ou capacité nominale , d'environ 400 MWe, avec des caractéristiques de conception permettant une extension jusqu'à 1 000 MWe.

Économie

Paramètres de l'usine LIFE (MEP : prototype ; LIFE.2 : usine commerciale de première génération)
député européen VIE.2
Énergie laser sur cible, MJ 2.2 2.2
Rendement cible, MJ 132 132
Taux de répétition des impulsions, Hz 8.3 16,7
Puissance de fusion, MW 1100 2200
Puissance thermique, MWt 1320 2640
Matériau de la chambre RAFMS SACO
Premier rayon de paroi, m 6.0 6.0
Charge de paroi neutronique, MW/m 2 1,8 3.6
Charge thermique surfacique, MW/m 2 0,63 1,26
Ratio de reproduction du tritium 1.05 1.05
Liquide de refroidissement primaire Li Li
Liquide de refroidissement intermédiaire Sel dissous Sel dissous
Température de sortie de la chambre, °C 530 575
Efficacité de conversion, % 45 47
Puissance brute, MWe 595 1217
Puissance électrique laser absorbée, MWe 124 248
Charge électrique en usine, MWe 34 64
Puissance électrique nette, MWe 437 905

Le coût actualisé de l'électricité (LCoE) peut être calculé en divisant le coût total de construction et d'exploitation d'un système de production d'électricité au cours de sa durée de vie par la quantité totale d'électricité expédiée au réseau pendant cette période. Le montant d'argent est essentiellement une combinaison des dépenses en capital ( CAPEX ) de la centrale et des paiements d'intérêts sur ce CAPEX, et du coût actualisé du combustible, de l'entretien nécessaire à son fonctionnement et de son démantèlement, des dépenses d'exploitation actualisées, ou OPEX. La quantité de puissance est normalement calculée en tenant compte de la puissance de crête que la centrale pourrait produire, puis en l'ajustant par le facteur de capacité (CF) pour tenir compte des temps d'arrêt dus à la maintenance ou à un étranglement délibéré. Comme calcul rapide, on peut ignorer l'inflation, les coûts d'opportunité et les dépenses d'exploitation mineures pour développer une figure de mérite pour le coût de l'électricité.

MEP n'était pas destiné à être un modèle de production et ne serait en mesure d'exporter que de petites quantités d'électricité. Il servira cependant de base au premier modèle de production, LIFE.2. LIFE.2 produirait 2,2 GW d'énergie de fusion et la convertirait en 1 GW d'électricité avec un rendement de 48 %. Sur un an, LIFE produirait 365 jours x 24 heures x facteur de capacité de 0,9 x 1 000 000 kW de puissance nominale = 8 milliards de kWh. Afin de générer cette puissance, le système devra brûler 365 x 24 x 60 minutes x 60 secondes x 15 pastilles par seconde x 0,9 capacité = 425 millions de pastilles de combustible. Si les boulettes coûtent le prix suggéré de 50 cents chacune, cela représente plus de 200 millions de dollars par an pour alimenter l'usine. Le tarif moyen de l'électricité de gros aux États-Unis en 2015 était d'environ 5 cents/kWh, donc cette électricité a une valeur commerciale d'environ 212 millions de dollars, ce qui suggère que LIFE.2 couvrirait à peine, en moyenne, ses propres coûts de carburant.

Le CAPEX pour l'usine est estimé à 6,4 milliards de dollars, donc le financement de l'usine sur une période de 20 ans ajoute 5 milliards de dollars supplémentaires en supposant le taux non garanti de 6,5 %. En considérant les CAPEX et le carburant seuls, le coût total de l'usine est de 6,4 + 5 + 4 = 15,4 milliards de dollars. En divisant le coût total par l'énergie produite sur la même période, on obtient une estimation approximative du coût de l'électricité pour une durée de vie de 20 ans : 15,4 milliards de dollars / 160 milliards de kWh = 9,6 cents/kWh. Une durée de vie de 40 ans entraînerait un coût de l'électricité de 4,8 cents/kWh. LLNL a calculé le LCOE de LIFE.2 à 9,1 cents en utilisant la méthodologie des flux de trésorerie actualisés décrite dans le rapport 2009 du MIT « l'avenir de l'énergie nucléaire ». En utilisant l'une ou l'autre valeur, LIFE.2 serait incapable de rivaliser avec les sources d'énergie renouvelables modernes , qui sont bien inférieures à 5 cents/kWh en 2018.

LLNL a prévu qu'un développement ultérieur après un déploiement commercial à grande échelle pourrait conduire à de nouvelles améliorations technologiques et à des réductions de coûts, et a proposé une conception LIFE.3 d'environ 6,3 milliards de dollars de CAPEX et 1,6 GW de plaque signalétique pour un prix par watt de 4,2 $/W. Cela conduit à un LCOE projeté de 5,5 cents/kWh, ce qui est compétitif avec l'éolien offshore à partir de 2018, mais il est peu probable qu'il le soit en 2040 lorsque les conceptions LIFE.3 commenceraient la construction. Les centrales LIFE seraient des vendeurs en gros, en concurrence avec un taux de base d'environ 5,3 cents/kWh à partir de 2015.

La section turbine à vapeur d'une centrale électrique, la salle des turbines , coûte généralement environ 1 $/W, et l'équipement électrique pour alimenter le réseau en électricité coûte environ 1 $/W. Pour atteindre le CAPEX total projeté cité dans les documents LIFE, cela implique que l'ensemble de l'îlot nucléaire doit coûter environ 4 $/W pour LIFE.2, et un peu plus de 2 $/W pour LIFE.3. Les centrales nucléaires modernes, bénéficiant de décennies d'expérience commerciale et de travaux de conception continus, coûtent un peu moins de 8 $/W, dont environ la moitié dans l'îlot nucléaire. Les estimations de LLNL exigent que LIFE.3 soit construit en 2040 pour environ la moitié du coût d'une centrale à fission actuelle.

Fin de vie

La construction du NIF a été achevée en 2009 et le laboratoire a entamé une longue période d'étalonnage et de configuration pour amener le laser à sa pleine capacité. L'usine a atteint sa capacité nominale de 1,8 MJ de lumière UV en 2012. Au cours de cette période, le NIF a commencé à exécuter un programme par étapes connu sous le nom de National Ignition Campaign, dans le but d'atteindre l'allumage d'ici le 30 septembre 2012. En fin de compte, la campagne a échoué de manière inattendue. des problèmes de performance se sont posés qui n'avaient pas été prédits dans les simulations. À la fin de 2012 , le système produisait des coups les plus cas qui étaient encore 1 / 10 des pressions nécessaires à l'inflammation.

Au cours des années qui ont suivi, le NIF a mené un petit nombre d'expériences dans le but explicite d'améliorer ce nombre, mais à partir de 2015, le meilleur résultat est toujours à 1 ⁄ 3 des densités requises, et la méthode utilisée pour atteindre ces nombres peut ne pas être adapté pour combler cet écart et atteindre l'allumage. On s'attend à ce qu'un certain nombre d'années de travail supplémentaire soient nécessaires avant que l'allumage puisse être réalisé, voire jamais. Au cours d'un examen des progrès après la fin de la campagne, un comité d' examen de l'Académie nationale des sciences a déclaré que « le moment approprié pour la mise en place d'un programme national, coordonné et large d'énergie de fusion inertielle au sein du DOE est lorsque l'allumage est atteint. » Ils ont noté que "le panel estime que l'allumage à l'aide d'un entraînement indirect au laser n'est pas probable dans les prochaines années".

L'effort LIFE a été discrètement annulé au début de 2013. Le directeur par intérim de LLNL, Bret Knapp, a commenté la question en déclarant que "L'objectif de nos efforts de fusion par confinement inertiel est de comprendre l'allumage sur NIF plutôt que sur le concept LIFE. Jusqu'à ce que davantage de progrès soient réalisés sur l'allumage, nous concentrerons nos efforts sur la résolution des défis scientifiques fondamentaux restants pour parvenir à l'allumage par fusion."

Remarques

Les références

Citations

Bibliographie

Liens externes