Dans les coulisses d'une expérience de fusion nucléaire de 200 millions de dollars

Comment des scientifiques et des ingénieurs fabriquent des pièces pour une expérience de fusion nucléaire au Princeton Plasma Physics Laboratory dans le New Jersey.

Le machiniste principal Joe Diamond travaille sur les plaques de transition en acier inoxydable qui seront installées à l'intérieur de la cuve à vide et sur la console centrale. (Emma Lee/POURQUOI)

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Le machiniste Joe Diamond a fabriqué des pièces pour des voitures, des trains et des sous-marins nucléaires, mais il a déclaré qu'une plaque en acier inoxydable était l'une des choses les plus difficiles qu'il ait eu à fabriquer.

Il fabrique des pièces de machines depuis plus de 50 ans et travaille maintenant au Princeton Plasma Physics Laboratory. Le laboratoire fait des expériences sur la fusion nucléaire, que les scientifiques rêvent d'utiliser comme source d'énergie sur terre depuis plus d'un demi-siècle. C'est ce qui se passe au centre du soleil.

Une partie de la difficulté réside dans la conception et la construction de l'équipement pour tester cela sur Terre, a déclaré Stefan Gerhardt, l'un des physiciens à la tête du projet.

"Il est très facile de concevoir quelque chose que personne sur terre ne peut construire", a-t-il déclaré. "Et donc, toutes ces idées fantaisistes sur la physique et l'ingénierie de conception doivent être contraintes par ce qui peut être fait avec de l'argent et du temps finis, par de vraies personnes, avec de vraies machines-outils. Il y a une tension constante dans mon entreprise pour évaluer... cette interaction . C'est à la fois ce qui le rend intéressant et ce qui le rend difficile."

La plaque en acier inoxydable que Joe Diamond doit fabriquer mesure environ 10 pouces de long, un demi-pouce d'épaisseur et a la forme d'un trapèze. La partie délicate est que les plaques sont effilées et n'ont pas la même épaisseur tout au long. Diamond doit découper un morceau d'acier inoxydable et raser soigneusement le métal d'une extrémité, de sorte qu'il se retrouve incliné de la bonne manière.

Pour imaginer cette expérience de fusion de 200 millions de dollars, pensez à une pomme de 15 pieds de haut, faite de métal. Lorsque la machine est allumée, le cœur de la pomme contient un gaz si chaud qu'il correspond à la température au centre du soleil, plus de 10 millions de degrés Celsius. Cela transforme le gaz en un état de matière complètement différent, appelé plasma. Le soleil utilise la gravité pour maintenir le plasma ultra-chaud.

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Dans l'expérience, le cœur de la pomme fait face au plasma et est tapissé de tuiles plates en carbone. Ces tuiles peuvent prendre la chaleur et la transporter en toute sécurité à l'extérieur.

Mais le problème est que le laboratoire ne peut pas fabriquer une pomme en métal telle que ces tuiles plates recouvrent parfaitement la surface du trognon de la pomme. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont conçu les plaques en acier inoxydable pour aller quelque part entre le cœur de la pomme et la coque extérieure et aider à aligner les carreaux de carbone, qui ne peuvent pas être décalés de plus de 0,01 pouce.

Parce que si les tuiles de carbone ne sont pas alignées correctement, elles pourraient devenir trop chaudes, des parties pourraient tomber dans le plasma, et l'expérience ne deviendra pas aussi chaude que les scientifiques l'ont besoin.

Une pile de peut-être 10 de ces plaques en acier inoxydable a pris près d'un an à fabriquer, et les scientifiques ont apporté quelques modifications, donc cela prendra plus de temps.

Les conséquences potentielles d'une erreur peuvent être graves. En 2016, le laboratoire venait de terminer un programme de mise à niveau de quatre ans, mais l'un des aimants utilisés pour aider à maintenir le plasma ultra-chaud est tombé en panne. L'appareil a été éteint pendant des mois. Le directeur du laboratoire de l'époque a démissionné après huit ans de carrière. Un article de Science l'a qualifié de coup dur pour le laboratoire.

Le physicien Stefan Gerhardt a déclaré qu'ils travaillaient pour s'assurer qu'une telle erreur ne se reproduise plus, et qu'ils avaient augmenté leurs normes déjà élevées pour les pièces.

Par exemple, il a déclaré que lorsque le laboratoire a demandé aux entreprises de fabriquer davantage de ces aimants, le laboratoire a testé les aimants en les découpant pour vérifier les défauts cachés, ce qu'ils n'avaient jamais fait pour prototyper des aimants auparavant. Le laboratoire a également demandé aux entreprises fabriquant les aimants de s'assurer qu'elles disposaient d'une pièce propre, exempte de poussière ou d'autres travaux métalliques susceptibles de contaminer les aimants en cours de fabrication.

"Vous voulez vous assurer que tous les travailleurs, s'ils touchent cela, portent des gants pour que l'huile de leurs mains ne pénètre pas. Vous voulez vous assurer que personne n'entre ici et ne marque avec un crayon ou un Sharpie."

Une entreprise en France a fabriqué certains des aimants. Pour s'assurer que l'entreprise suivait les spécifications du laboratoire, le laboratoire de Princeton a envoyé des personnes en France en 2020 pour observer la fabrication des aimants. Lorsque la pandémie de COVID-19 a commencé, le laboratoire s'est empressé de ramener ces personnes aux États-Unis

Le laboratoire est toujours en train d'obtenir de nouvelles pièces et de les mettre dans la machine pour s'assurer que tout s'adapte.

"Ce sont… des assemblages complexes. C'est une très grande montre suisse que nous aimons parfois nous raconter", a déclaré Gerhardt.

Et cela nécessite des personnes qui savent comment coordonner cette montre suisse finement réglée avec des centaines de machinistes, d'ingénieurs et de scientifiques travaillant tous sur cette seule expérience, qui présente des risques potentiels liés aux radiations, à l'électricité et aux problèmes mécaniques. Par exemple, Gerhardt a déclaré que l'un des chefs de projet de l'équipe dirigeait une centrale nucléaire.

"Il existe de nombreux systèmes qui doivent fonctionner simultanément", a déclaré Gerhardt. "Et donc… une fois qu'il est construit, une grande attention est accordée à… la qualité et la sécurité des opérations et à s'assurer que ces systèmes complexes fonctionnent ensemble tous les jours lorsque les utilisateurs scientifiques sont présents et souhaitent faire de la science."

À l'heure actuelle, l'objectif est d'avoir la machine prête à être allumée dans quelques années. Les scientifiques peuvent ensuite l'utiliser pour faire des expériences et comprendre comment contrôler et travailler avec le plasma ultra chaud pour un jour, peut-être, l'utiliser pour générer d'énormes quantités d'énergie. En attendant, ils conçoivent, assemblent et peaufinent tous les composants, une plaque à la fois.

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