Qu'est-ce que SupraFusion ?
Le programme SupraFusion est un programme de recherche financé par l’Etat français dans le cadre du plan France 2030.
SupraFusion vise à développer une filière technologique française dans le domaine des applications des supraconducteurs à haute température critique (SHTc), en utilisant la fusion par confinement magnétique comme moteur pour la recherche et l’innovation.
Le développement récent et rapide des supraconducteurs à haute température (SHTc) constitue en effet une percée potentiellement importante pour les applications sociétales de la supraconductivité. Grâce à leurs performances, les SHTC pourraient créer un changement de paradigme, en permettant en particulier, la conception de réacteurs de fusion magnétique compacts. Ceci pourrait accélérer l’arrivée de la production d’électricité à partir de l’énergie de fusion. Les SHTC pourraient également conduire à des avancées très importantes dans d’autres domaines tels que l’énergie éolienne, l’imagerie médicale, la mobilité à faible émission de carbone, la physique des hautes énergies et la science des matériaux à haut champ.
À plus long terme, lorsque les technologies SHT seront largement utilisées, l’expertise acquise au cours de ce programme permettra aux laboratoires et industries français d’être en bonne position pour faire face à la compétition mondiale qui s’annonce dans le domaine. Plusieurs initiatives internationales, publiques et privées, tentent actuellement d’accélérer le développement et le déploiement de cette technologie.
Qu'est-ce qu'un supraconducteur à haute température critique (HTC) ?
Les supraconducteurs sont des matériaux capables de conduire l’électricité sans aucune résistance lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température, dites température critique. Contrairement aux supraconducteurs classiques, qui nécessitent un refroidissement proche du zéro absolu (autour de -269°C ou 4 K), les SHTC deviennent supraconducteurs à des températures plus élevées (90 K pour le matériau le plus utilisé, le REBCO).
Pourquoi sont-ils révolutionnaires ?
- Ils sont supraconducteurs dans l’azote liquide, fluide industriel, pour les applications ne nécessitant pas un champ magnétique élevé (câbles électriques par exemple).
- Ils permettent de générer des champs magnétiques bien supérieurs aux supraconducteurs classiques, une avancée majeure pour la fusion nucléaire et les spectromètres RMN entre autres.
Qu'est-ce que la fusion magnétique ?
Les étoiles produisent leur énergie en fusionnant des noyaux d’hydrogène. Pour exploiter la fusion sur terre on utilise un mélange de deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium car c’est la réaction la plus efficace.
Comme les noyaux sont chargés positivement et se repoussent, il faut atteindre des températures de l’ordre de 150 millions de degrés. Dans ces conditions, le mélange de deutérium et tritium est un plasma, formés de noyaux et d’électrons libres.
Ces particules chargées sont sensibles au champ magnétique, qui contraint leur mouvement dans les directions perpendiculaires au champ. Il est ainsi possible d’utiliser de puissants électroaimants afin de confiner le plasma, en jouant le rôle d’isolant entre le plasma de fusion et la paroi de la machine.
Une réaction de fusion produit un noyau d’hélium dont l’énergie permet de chauffer le plasma et un neutron qui chauffe directement la paroi. Celle-ci est refroidie par circulation d’eau ce qui permet d’utiliser directement la chaleur ou d’alimenter des turbines pour produire de l’électricité.
Pourquoi la fusion est-elle une source d’énergie intéressante ?
- La fusion sera une énergie n’émettant pas directement de gaz à effet de serre, pilotable, sans risque d’emballement et dont le seul déchet est la machine elle-même.
- La fusion, de par sa forte densité énergétique, est économe en ressources naturelle.
La mission du programme de recherche
Un projet national d'envergure
SupraFusion est un projet national de recherche de grande envergure, soutenu par le CEA, le CNRS et de nombreuses universités et partenaires industriels.
Des avancées majeures
Le but du programme est de permettre des avancées majeures pour la fusion par confinement magnétique, avec des technologies supraconductrices optimisées.
Les applications de la recherche
Les débouchées de la recherche issue de ce programme auront des applications multiples, allant de l’imagerie médicale à la mobilité à faible émission de carbone, en passant par la production et le stockage d’énergie.
La recherche française dans le monde
À plus long terme, lorsque les technologies SHTC seront largement utilisées, l’expertise acquise au cours de ce programme permettra aux laboratoires français et à notre industrie d’être en bonne position pour faire face à la compétition mondiale qui s’annonce dans le domaine.
Les défis relevés par le programme
Le programme SupraFusion a pour objectif de suivre un cheminement progressif vers le développement et la maturité des technologies SHTC pour les futures applications sociétales.
Ceci suppose de répondre à 5 grands défis :
Défi n° 1 : Disposer d'un SHTC connu et de haute qualité
La "matière première de base" est la première étape nécessaire à toute application technologique. Les matériaux SHTC sont aujourd'hui disponibles dans l'industrie sous forme de rubans, mais avec une forte variabilité quant à leurs performances entre les fabricants et au sein d'un même lot de production. En outre, en raison des besoins des premières applications SHTC, certaines performances magnétiques de ces matériaux ont été largement étudiées, mais pas toutes leurs propriétés d'usage (mécaniques, thermiques, etc.) qui devraient également être bien connues pour la conception d'applications à grande échelle. Il faut adapter le ruban à l’application visée.
Défi n° 2 : développer un conducteur à haute performance
Contrairement aux petites bobines développées jusqu'à présent, les applications à grande échelle ne peuvent pas se contenter d'utiliser un ruban comme conducteurs. En effet, les grands aimants stockent une grande énergie magnétique et subissent d'importantes forces de Lorentz qui ne peuvent être supportées par un ruban SHTC seul et nécessitent l'utilisation de conducteurs renforcés avec un grand nombre de rubans. Les marges d’innovation sur ces conducteurs sont importantes.
Défi 3 : Gestion de la sécurité du fonctionnement des bobinages
La protection de l'aimant lors de la perte accidentelle de l’état supraconducteur (transition vers l’état résistif) est un défi majeur qui a longtemps ralenti le développement et l'utilisation des technologies SHTC. En raison des fortes densités de courant transportées dans le SHTC, la perte de l’état supraconducteur chauffe très rapidement le conducteur par effet Joule et endommage gravement l'aimant s’il n'est pas protégé efficacement. Il est beaucoup plus difficile de détecter la transition d'un aimant SHTC et de le protéger correctement que pour un aimant supraconducteur classique en raison de leurs propriétés spécifiques. Des solutions ont été trouvées dans certains cas pour les aimants SHTC d’énergie peu élevée (inférieur au MJ). Aucune solution clairement identifiée n’existe pour les aimants de fortes énergies (supérieur à 100 MJ).
Défi 4 : Réalisation d’un aimant SHTC de grande taille
La réalisation d’aimants avec un champs élevé (≥ 20T sur le conducteur) dans une grande ouverture (1-2 m), conduisant à une énergie magnétique élevée (~ 100 MJ) est un défi majeur, mais incontournable pour le développement de plusieurs applications sociétales, en particulier pour la fusion magnétique. Il faut en effet démontrer la capacité à travailler à courant élevé (> 40 kA), résister à d'énormes forces de Lorentz, protéger un aimant SHTC de 100 MJ, démontrer l’intégration réussie de toutes les briques technologiques et fabriquer des aimants dans l'industrie plutôt que dans les laboratoires.
Défi n° 5 : Repenser les applications et les besoins
Les aimants SHTC sont une technologie de rupture qui peut complètement changer la place des technologies supraconductrices dans la société de demain. Pour y parvenir, il est nécessaire de créer des passerelles à double sens entre la technologie SHTC et les utilisateurs finaux. C’est en particulier le cas pour les centrales de fusion pour lesquelles l’utilisation d’aimants très fort champs ont un impact très fort sur le dimensionnement. Il en va de même pour les autres applications qui doivent être repensées au vu des possibilités offertes par les SHTC.
Défi n°6 : Coordonner une recherche interdisciplinaire, assurer la formation et la dissémination des technologies SHTC
Le spectre des compétences, des communautés et des industries nécessaires pour maîtriser la technologie HTS et assurer un leadership français dans le secteur est très large. Fédérer et former tous les acteurs autour d'objectifs technologiques ambitieux est un défi. Relever ce défi permettra la dissémination des technologies SHTC dans la société.
Afin de répondre à chaque défi majeur identifié sur ce chemin, le programme est construit sur 7 ans autour de 5 projets de recherche ciblés, 2 appels à projets et des actions transverses d’animation, de formation et de dissémination des résultats.
Plan de travail détaillé
Ces actions s’articulent autour de trois axes
Le programme SupraFusion s’inscrit dans la dynamique de la recherche française pour faire des supraconducteurs à haute température critique (HTC) un atout stratégique dans les domaines de l’énergie, de la technologie et de l’industrie.
Structurée en trois axes, sa feuille de route vise à consolider l’expertise nationale et à renforcer la position de la France dans ce secteur en pleine évolution.
- Le premier axe porte sur le développement des briques technologiques essentielles, assurant des matériaux et des composants performants.
- Le second axe se consacre à la démonstration à grande échelle, validant la faisabilité des HTC pour des applications industrielles, notamment dans la fusion nucléaire.
- Enfin, le troisième axe explore de nouvelles applications, allant des réacteurs de fusion compacts aux avancées en imagerie médicale, en réseaux électriques et en mobilité bas carbone.
En fédérant laboratoires, institutions et industriels, SupraFusion ambitionne de positionner la France à l’avant-garde de cette technologie et de contribuer à son rayonnement scientifique et économique.
1er axe
Le premier axe vise à explorer, construire et développer les briques technologiques HTS des futurs aimants nécessaires aux applications sociétales.
Caractérisation et optimisation des rubans SHT REBCO
Développement de conducteurs à haut courant
Protection des bobines pour une exploitation sécurisée
2e Axe
L’objectif du deuxième axe est de construire et tester un aimant à grande échelle afin de démontrer la faisabilité d’une mise à l’échelle de la technologie jusqu’à un niveau de maturité technologique (TRL) de 4.
Démonstrateur grande échelle
3e Axe
Enfin, le dernier axe vise à préparer ces ruptures dans la société tant sur le thème spécifique des machines de fusion compactes que sur les applications sociétales larges.
Réacteurs de fusion magnétique compacts tout SHT