Dans le film de 1990 À la poursuite d’Octobre rougeun capitaine de la marine soviétique joué par Sean Connery pilote un sous-marin propulsé par un « système magnétohydrodynamique » indétectable par le sonar militaire.
Un quart de siècle plus tard, la start-up britannique Tokamak Energy soutient un programme de l’Agence américaine des projets de recherche avancée de défense (Defense Advanced Research Projects Agency) visant à faire de la propulsion marine silencieuse une réalité.
La collaboration avec Darpa est l’un des nombreux moyens par lesquels la société de fusion nucléaire cherche à monétiser une décennie de travail sur les aimants supraconducteurs à haute température, qui, selon elle, peuvent transformer des secteurs allant des transports publics à l’imagerie médicale.
« Ce que nous voulons faire ici, c’est inaugurer l’ère du HTS », a déclaré Liam Brennan, directeur de TE Magnetics, que Tokamak Energy lancera officiellement la semaine prochaine. « Nous voulons mettre ces aimants sur le marché et les faire fonctionner. »
Issue de l’Autorité britannique de l’énergie atomique en 2009, l’activité principale de Tokamak Energy est la fusion nucléaire, où la société basée dans l’Oxfordshire rivalise avec environ 40 autres dans le monde pour être la première à développer une centrale électrique capable de produire une énergie propre commercialement viable en fusionnant des isotopes d’hydrogène.
La possibilité de reproduire la réaction qui alimente le soleil intrigue les scientifiques depuis des décennies. Cette réaction sans carbone ne génère aucun déchet radioactif à longue durée de vie, les isotopes peuvent être produits en grandes quantités et une petite tasse de ce combustible a le potentiel d’alimenter une maison pendant des centaines d’années.
Mais après 60 ans d’expériences, aucun groupe n’a réussi à perfectionner la technologie et rien ne garantit que le rêve des centrales à fusion se réalisera.
La méthode de fusion la plus courante consiste à suspendre à l’aide d’aimants un plasma de deux isotopes (généralement du deutérium et du tritium) dans un dispositif appelé tokamak. Les isotopes sont ensuite chauffés à des températures extrêmes, dix fois supérieures à celles du centre du Soleil, de sorte que les noyaux fusionnent, produisant de l’hélium et de l’énergie.
La première génération d’aimants utilisés dans les tokamaks expérimentaux comme JET dans l’Oxfordshire, qui a commencé à fonctionner en 1983, était en cuivre. Des installations plus récentes, comme EAST en Chine, qui a produit son premier plasma en 2006, utilisent des aimants supraconducteurs dits à basse température.
Tokamak Energy utilisera ses aimants HTS spécialement conçus, enroulés à partir d’une bande innovante capable de générer un champ magnétique beaucoup plus puissant, à des températures plus élevées, que les aimants LTS. Le composant essentiel de la bande recouverte de cuivre est une couche — de la largeur d’un cheveu humain environ — d’oxyde de cuivre et de baryum, un matériau supraconducteur à base de terres rares.
Alors que les matériaux LTS doivent être refroidis à l’aide d’hélium liquide coûteux à des températures proches du zéro absolu (moins 273 °C), le ruban rebco présente des propriétés supraconductrices à environ moins 200 °C, ce qui rend les systèmes basés sur HTS potentiellement moins chers et plus puissants.
En 2019, Tokamak Energy a construit et testé l’aimant HTS au champ magnétique le plus élevé au monde, atteignant un champ record de 24 teslas à une température de -253 °C. Les aimants du dispositif JET, qui a été mis hors service cette année, ne pouvaient générer que des champs magnétiques allant jusqu’à 4 teslas.
« Nous avons montré que nos aimants sont très fiables, stables et cohérents, et c’est là que se situe le point de basculement », a déclaré Brennan. « Cela n’aurait pas pu être fait il y a sept ans. »
Les avancées de Tokamak Energy dans le domaine de la technologie des aimants sont essentielles à ses projets de fusion. Alors que la plupart des tokamaks existants ont la forme d’un beignet, l’entreprise prévoit de construire un modèle sphérique plus compact, ce qui nécessitera que les aimants de la machine fonctionnent aussi efficacement que possible.
L’objectif est de construire une centrale pilote capable de fournir de l’électricité au réseau au début des années 2030. Le prochain dispositif de fusion du gouvernement britannique, STEP, utilisera une conception similaire.
Pour tester la science et l’ingénierie de ses aimants, Tokamak Energy a construit un dispositif de démonstration dans ses installations situées à proximité d’Oxford. Une fois terminé cette année, il mesurera 3,2 mètres de haut et comprendra 44 bobines magnétiques de ruban HTS disposées en formation sphérique autour d’un noyau central. La machine reproduira les forces requises dans une centrale à fusion, produisant un champ magnétique de 18 teslas, près d’un million de fois plus fort que le champ magnétique terrestre.
Toutefois, les applications potentielles des aimants HTS vont au-delà de la fusion. La capacité à fonctionner sans nécessiter de refroidissement coûteux à l’hélium liquide et une grande tolérance aux vibrations rendent les aimants HTS idéaux pour une utilisation dans les scanners IRM des hôpitaux et d’autres équipements d’imagerie scientifique qui utilisent actuellement des matériaux LTS, a déclaré Brennan. Il a ajouté que d’autres applications des qualités supraconductrices des aimants HTS pourraient également inclure la réduction de la taille des moteurs électriques des trains.
Le programme Darpa sur la propulsion maritime nécessite des aimants HTS, a-t-il déclaré, car il cherche à construire des entraînements magnétohydrodynamiques qui produisent des champs magnétiques de 20 teslas.
Le seul moteur de ce type testé à ce jour a été développé par le japonais Mitsubishi dans les années 1990, puis abandonné. Ce moteur générait un champ magnétique d’environ 4 teslas, qui permettait de propulser avec succès un bateau de 30 mètres, mais seulement à une vitesse de 6,6 nœuds (environ 12 km/h).
En vendant son expertise dans le domaine des aimants à d’autres entreprises et industries de fusion, Tokamak Energy estime pouvoir alléger ses besoins de financement futurs. Les entreprises privées de fusion ont levé environ 7 milliards de dollars d’investissement à ce jour, mais la levée de fonds est difficile tant que les revenus de l’énergie de fusion commerciale ne seront pas disponibles avant au moins dix ans.
Tokamak Energy, qui emploie environ 250 personnes, est en plein milieu d’un nouveau tour de financement après avoir déjà levé 250 millions de dollars auprès d’investisseurs privés et de subventions gouvernementales. Au moins 50 millions de dollars de cette somme ont été consacrés au développement d’aimants.
« C’est une histoire d’investissement très difficile car les investisseurs en capital-risque typiques recherchent un retour sur investissement dans une période de temps définie, et l’activité des aimants nous aide dans ce domaine car nous pouvons réellement pointer vers un retour sur investissement », a déclaré Christian Lowis, le conseiller juridique général de la société.
La société a déjà signé des contrats liés au HTS avec plusieurs clients et estime que TE Magnetics pourrait générer 8 millions de livres sterling de revenus annuels l’année prochaine et 300 millions de livres sterling par an d’ici la fin de la décennie.
« La clé de notre modèle est de posséder la conception des aimants », a déclaré Lowis. « Que nous fabriquions les aimants, que nous sous-traitions la fabrication à quelqu’un d’autre, que nous concédions une sous-licence de propriété intellectuelle à quelqu’un d’autre ou même que nous les concédions à une autre société de fusion pour qu’elle les fabrique elle-même, ce sont toutes des options potentielles. »
Graphismes par Ian Bott