Pour produire des réactions de fusion nucléaire en quantité, les plasmas doivent être portés et maintenus à plus de 100 millions de degrés Celsius. Ces températures sont accessibles grâce à des systèmes de chauffage résultant du couplage d'ondes électromagnétiques au plasma et/ou de l'injection de faisceaux de particules neutres à haute énergie (1 MeV) et haute puissance (~50 MW). Actuellement, ces systèmes évoluent dans des configurations compliquées : leur rendement énergétique est moyen (environ 30 %), les opérations de maintenance sont fréquentes avec une problématique d'accessibilité, et le système électrique à haute tension (- 1MV) est très complexe et coûteux.
« Les centrales à fusion électrogènes devront disposer de systèmes à haut rendement (>60 %) , capables d'assurer un fonctionnement fiable et stable sur plusieurs mois, comparable à celui des centrales électriques actuelles », assurent Alain Simonin et Basile Pouradier Duteil du CEA-IRFM. C'est pourquoi ils collaborent avec leurs collègues de l'Université d'Aix-Marseille sur un nouveau concept d'injecteur de neutres répondant à ces exigences.
Fort de plusieurs années de R&D, le concept Cigale proposé se caractérise par plusieurs avancées au niveau de la source d'ions, de la forme du faisceau et des différents composants de l'accélérateur.
Un rendement optimisé à 63 %
La source d'ions est l'élément actif de l'injecteur, son fonctionnement nécessite une maintenance régulière et de multiples connexions à des systèmes auxiliaires (alimentation électrique, eau, gaz, etc.). Sur les injecteurs conventionnels, la source d'ions et ses auxiliaires sont portés à la haute tension (-1 MV sur Iter), alors que sur Cigale, elle est référencée au potentiel de la terre (0 V) simplifiant l'accessibilité et les maintenances robotisées.
Tous les éléments en aval qui ne nécessitent pas de maintenance particulière (accélérateur, neutraliseur, bushing, déflecteur), car étant des composants thermomécaniques passifs, sont eux portés à la haute tension (+1 MV). De plus, leurs charges thermiques sont significativement réduites par moins de gaz injecté dans la source (réduction d'un facteur 5) et dans le neutraliseur (réduction d'un facteur 3). Avec moins de gaz le long de la ligne, le système de pompage par cryo-condensation est moins invasif et peut être régénéré en continu sans interruption de l'injecteur.
La réduction des pertes du faisceau et l'implantation d'un système de récupération d'énergie des ions négatifs non neutralisés en aval de la ligne permet d'atteindre un rendement global de l'injecteur de 63 %, d'où l'acronyme de Cigale Concept of a neutral beam Injector based on GAs neutraLization and Energy recovery .
« En parallèle, Cigale est actuellement considéré comme système de chauffage additionnel pour le projet de centrale fusion pilote Star du Princeton Plasma Physics Laboratory où il fait l'objet d'études (concept et simulations de scénarios plamsa) visant l'implantation de quatre lignes de neutres de 20 MW à 1 MeV », indiquent les chercheurs.