Le défi de l’hélium pour la fusion : Concevoir l’infrastructure pour alimenter l’avenir

L’énergie de fusion, —souvent décrite “comme le Saint Graal ”de l’énergie propre, —vise à recréer les réactions ’du noyau solaire sur Terre. Mais contrairement à la réaction produite par l’immense pression gravitationnelle dans le soleil, la fusion terrestre doit atteindre des températures supérieures à 100 millions de degrés Celsius pour déclencher et maintenir la réaction. C’est là que l’ingénierie entre en jeu, —non seulement pour résoudre le problème à résoudre, mais aussi pour innover pour assurer la sécurité énergétique mondiale.

Importance de l’hélium

L’hélium joue un double rôle dans les systèmes de fusion : il est à la fois un sous-produit et un catalyseur essentiel. À l’intérieur du plasma, l’hélium s’apparente à la cendre, et est un sous-produit de la fusion des isotopes d’hydrogène. S’il n’est pas soigneusement extrait, il nuit aux prochaines réactions.

Cependant, en dehors du plasma, l’hélium devient indispensable. Sa capacité thermique élevée et son inertie chimique en font un gaz idéal pour le refroidissement des parois à haute température entourant le plasma, tandis que sa performance à basse température est parfaite pour le refroidissement des aimants supraconducteurs à des températures cryogéniques. Nous nous concentrerons ici sur l’utilisation de l’hélium comme liquide de refroidissement à haute température pour des systèmes de fusion par confinement magnétique, comme les tokamaks ou les stellarateurs.

Pourtant, l’hélium est loin d’être abondant. La demande continue d’augmenter dans tous les secteurs, particulièrement ceux des— réacteurs à fission à haute température, de la fabrication de semi-conducteurs et de l’imagerie médicale,— mais l’approvisionnement demeure limité géologiquement en raison des processus de raffinage complexes. Avec l’augmentation des prix, l’hélium est devenu une ressource stratégique.

Conception qui tient compte des limites

Une fois que l’hélium a été choisi comme liquide de refroidissement, la conception du système de refroidissement est souvent mise de côté, car elle est considérée comme un système classique dans les premières phases de conception de fusion et éclipsée par des composants plus novateurs ou coûteux. Toutefois, la sous-estimation de l’importance et des complexités de l’hélium’ entraînera l’inefficacité du système de refroidissement et le limitera. L’hélium ne peut atteindre tout son potentiel que grâce à une ingénierie intentionnelle, intégrée et itérative. Combinés à des concepteurs chevronnés, ces systèmes de refroidissement demeurent simples et efficaces.

L’un des pièges courants dans les premières conceptions est l’utilisation d’un système de réservoirs à cascade de pression de base, de la basse à la haute pression. Bien qu’elles soient simples en théorie, ces configurations produisent des paramètres thermofluidiques hautement transitoires avec des cycles continus d’expansion et de compression qui influent sur le rendement du système.

Bien qu’elle soit tolérable en laboratoire ou même à l’échelle pilote, cette approche ne fait souvent plus l’affaire lorsqu’elle est mise à l’échelle pour des systèmes commerciaux de plus grande envergure, car elle entraîne des inefficacités, des stocks d’hélium gonflés et des hausses importantes des coûts.—

Une conception en régime établi, éclairée par une modélisation détaillée de la dynamique des fluides non idéale, offre souvent une meilleure voie à suivre. Bien que la faible densité et la grande vitesse de l’hélium introduisent des effets de compressibilité complexes qui vont à l’encontre des modèles simplifiés, l’investissement peut rapporter des dividendes.’ Lorsque de tels systèmes de refroidissement à l’hélium sont conçus tôt dans le processus, ils peuvent faciliter la conception des composants qui interagiront avec le plasma et les aimants, ce qui se traduit par une progression simplifiée, une réduction des coûts et/ou des gains de performance entre les phases de conception et les campagnes d’essai.

Espace restreint entre les extrêmes

Dans la concrétisation de grands projets de fusion, l’espace physique devient inévitablement l’une des contraintes déterminantes puisqu’il est directement lié au coût en capital.

Cela est particulièrement vrai pour les systèmes de refroidissement à l’hélium. Ces systèmes doivent fonctionner dans l’espace restreint entre le plasma surchauffé et les aimants refroidis à des températures cryogéniques. Les tuyaux plus gros augmentent l’efficacité du système à l’hélium, mais la séparation plus grande nuit alors aux systèmes d’aimants plus coûteux.

Par conséquent, les tuyaux de liquide de refroidissement sont inévitablement petits et installés dans des espaces souvent mesurés en millimètres, où des valves ne peuvent être installées’ et où le débit doit être géré de façon passive.

Par conséquent, une cartographie thermique précise du plasma et une modélisation détaillée de l’hélium thermofluidique sont nécessaires. Elle permet de réduire au minimum la demande du compresseur et atténue les dommages aux surfaces interagissant avec le plasma, qui nécessiteraient autrement de longues réparations.

 

 

La perte de charge dans la tuyauterie demeure également un facteur critique. Puisque les pertes correspondent au carré de la vitesse du gaz, des tuyaux étroits augmentent rapidement la taille et la puissance du composant le plus coûteux du système : son ou ses compresseurs.’ D’autres dispositions, comme des tuyaux plus courts avec plus de raccords de collecteur, peuvent poser des risques pour l’intégrité du vide.

De la conception à la livraison : L’avenir de l’industrie’

Le monde a besoin d’une énergie propre et fiable,— et la fusion est très prometteuse. Mais même les conceptions les plus élégantes sur papier ne signifient pas grand-chose si elles ne peuvent ’pas être construites.

La planification de la construction est aussi importante que la conception elle-même. Pour réduire au minimum les fuites d’hélium, qui peuvent devenir un problème de sécurité ou nuire au fonctionnement du vide et des aimants compris dans les systèmes pour la fusion, la tuyauterie doit être sans faille et, idéalement, comporter des joints soudés partout. Les contraintes d’espace excluent souvent la soudure manuelle ou robotisée sur le terrain, nécessaire pour les kilomètres de tuyaux et les milliers de raccords.

La solution réside dans la construction modulaire. Elle comporte des unités préassemblées livrées selon les moyens de transport habituels et intégrées sur place avec précision. Cette technique de base, qui fait partie des facteurs de différenciation de Hatch, combine une conception rigoureuse, une expertise multidisciplinaire et une honnêteté absolue quant à ce qui fonctionnera et à la façon d’y parvenir.’

La conception de systèmes à l’hélium efficaces n’est peut-être qu’une pièce du casse-tête de la fusion, mais elle est représentative de la complexité et de l’ingéniosité plus vastes nécessaires pour rendre l’énergie de fusion durable et viable.’ L’énergie propre est essentielle. Nous prospérons au croisement de la physique et de l’ingénierie, entre la théorie et la construction, et entre l’ambition et l’exécution. Nos ingénieurs cherchent à relever les défis les plus complexes et à élaborer des solutions pratiques— de façon sécuritaire, durable et à grande échelle.

Communiquez avec nous pour découvrir comment nous collaborons avec des entreprises pour mettre au point de nouvelles technologies, comme l’énergie de fusion, afin de générer des changements positifs et d’innover partout dans le monde.

Nous’ sommes prêts à le faire, ensemble.

Lisez la partie 1 de la série de Steven’ ici.