Comprendre les imperfections des aimants de fusion | Nouvelles du MIT

«Je m’attendais toujours à rester au MIT pendant quatre ans, à obtenir mon diplôme de premier cycle à la fin et probablement à retourner au Royaume-Uni.»

Richard Ibekwe se souvient de ses premières hypothèses sur son parcours universitaire au MIT. Il est maintenant candidat au doctorat en sciences et ingénierie nucléaires (NSE) au Plasma Science and Fusion Center (PSFC), dédié à la recherche sur la fusion à long terme au MIT, en se concentrant sur la technologie des aimants. Récipiendaire de plusieurs prix de premier cycle, Ibekwe a obtenu le soutien de niveau universitaire de la MIT Energy Initiative, qui l’a enrôlé en tant que MIT Energy Fellow, parrainé par Commonwealth Fusion Systems. Il est également l’actuel président du chapitre étudiant du MIT de l’American Nuclear Society (ANS).

«Trois choses qui m’ont toujours fasciné», dit-il, «ont été d’apprendre comment les choses fonctionnent, de trouver comment les réparer et d’utiliser ces connaissances pour servir et prendre soin de ceux qui m’entourent. En grandissant, cela s’est manifesté par la construction et le bricolage des choses – d’abord des jouets, puis du bricolage dans la maison. Maintenant, je vois la fusion s’inscrire dans cet intérêt: il y a peu de problèmes aussi difficiles à résoudre ou qui pourraient avoir un impact positif potentiel aussi profond sur notre planète et l’ensemble de l’humanité.

La fusion, la réaction qui alimente le soleil et d’autres étoiles, est une source potentiellement infinie d’énergie sans carbone sur Terre, si elle ne peut être exploitée. De nombreuses recherches ont favorisé le chauffage de l’hydrogène à l’intérieur d’un appareil en forme de beignet appelé tokamak, créant un plasma suffisamment chaud et dense pour que la fusion se produise. Parce que le plasma suivra les lignes de champ magnétique, ces dispositifs sont enveloppés d’aimants pour empêcher le carburant chaud d’endommager les parois de la chambre.

L’intérêt d’Ibekwe pour la fusion ne s’est développé qu’au cours de sa dernière année, après avoir suivi un cours d’introduction au design du professeur assistant NSE Zachary Hartwig.

«En tant qu’étudiant de premier cycle, de loin, la fusion semblait être une entreprise très ésotérique, très lourde de physique. Mon expérience était beaucoup plus axée sur l’ingénierie », dit-il. «J’ai été inspiré par l’enseignement de Zach et par la façon dont il a fusionné la science et l’ingénierie de la recherche sur la fusion.

Quand Ibekwe a postulé pour rejoindre l’équipe de Hartwig en tant que doctorant, il n’était pas au courant de l’avenir qui se dessinait au PSFC. Un tokamak appelé SPARC était en cours de conception à l’aide d’un nouveau supraconducteur à haute température (HTS), une bande permettant des courants électriques plus importants et des champs magnétiques plus élevés que les bobines supraconductrices traditionnelles: il suggérait un chemin vers une centrale à fusion plus petite et moins coûteuse qui pourrait être construit plus rapidement que les projets internationaux actuellement financés.

«Je pensais juste que la fusion serait un sujet intéressant pour s’impliquer», dit Ibekwe. «Ce fut une heureuse surprise de découvrir que SPARC était en préparation.»

Étant donné qu’une grande partie du succès du SPARC dépend de la nouvelle technologie supraconductrice, il n’est pas surprenant qu’Ibekwe et ses collègues y fassent des recherches. Étant donné que les supraconducteurs à haute température peuvent gérer des champs magnétiques plus importants que les supraconducteurs ordinaires, ils sont idéaux pour les tokamaks.

«Il s’avère que presque tout ce qui concerne le processus de fusion devient bien meilleur et plus favorable lorsque vous augmentez le champ magnétique», dit Ibekwe. Mais il se demande ce qui pourrait avoir un impact négatif sur ce processus. Comment les défauts des bandes HTS peuvent-ils affecter les performances du tokamak?

Alors qu’ils fabriquent des aimants avec ces minces bandes HTS, Ibekwe et ses collègues posent une question clé: quel est le courant critique? Quel est le courant maximal que les bandes peuvent transporter avant qu’elles ne cessent d’être supraconductrices, perdant les caractéristiques qui les rendent au cœur du succès d’un tokamak, comme leur capacité à conduire de grands courants électriques sans résistance électrique?

«Lors de la production de ces bandes – ces fils fins en forme de ruban – l’objectif est de les rendre aussi de haute qualité que possible afin que le courant maximum soit élevé et uniforme sur toute la longueur du fil. Il s’avère que lors de la fabrication de ces bandes, parce que peut-être qu’elles sont bosselées ou qu’un grain de poussière tombe sur la bande lors de la croissance du cristal, il en résulte des régions où le courant critique est beaucoup plus faible. Nous appelons ces décrocheurs. »

Le courant critique tombe à ces endroits et le supraconducteur subit une résistance électrique. La zone se réchauffe, produisant une situation où la chaleur se dilate, entraînant une perte de conductivité de l’ensemble du câble. Pour tirer le meilleur parti de cette situation, les ingénieurs peuvent essayer de supprimer les défauts de la bande et utiliser une longueur plus courte, ou ils peuvent produire une nouvelle longueur de bande pour obtenir ce qu’ils veulent. Mais ce processus correctif peut être coûteux et prendre du temps.

Ibekwe embrasse les imperfections, plongeant profondément dans les défauts des bandes HTS dans le but de proposer des solutions pragmatiques.

«Premièrement,» dit-il, «mesurons et comprenons l’effet de ces défauts sur les performances des bandes supraconductrices, ce qui n’a pas vraiment été fait auparavant en détail. Deuxièmement, nous devons déterminer quantitativement à quel point nous pouvons résister à un défaut. Troisièmement, comment pouvons-nous créer des aimants qui contiennent des défauts de manière à pouvoir encore fabriquer des aimants utilisables et efficaces? »

Ibekwe pense qu’il a peut-être hérité de son approche pragmatique de ses parents, qui avaient quitté le Nigéria pour étudier à Londres avant la naissance de Richard. Sa mère a terminé son doctorat en nutrition infantile pendant qu’il grandissait.

«Je pense que j’ai eu son influence académique», dit-il. «Mon père est entrepreneur en bâtiment. Il y a l’élément de l’aspect pratique en moi de lui.

Les recherches préliminaires d’Ibekwe suggèrent que les bandes magnétiques HTS sur lesquelles il travaille sont intrinsèquement plus tolérantes à la présence de défauts que les supraconducteurs à basse température.

«Le défi», dit-il, «est de proposer un guide de conception qui montrera aux ingénieurs qui fabriquent ces aimants ce qui est acceptable et ce qui ne l’est pas.»

Ibekwe veut continuer à travailler sur les problèmes difficiles de la fusion et des domaines connexes, en adoptant une approche holistique qui s’inspire en partie de son leadership dans le SNA, qui cette année a fourni des opportunités de traiter des problèmes liés à la santé, l’isolement, la diversité, l’équité et l’inclusion . Il envisage une carrière universitaire comme un bon moyen d’atteindre cet objectif.

«Je veux me débattre non seulement avec les questions scientifiques et techniques, mais aussi avec les questions sociétales et politiques, philosophiques et éthiques», dit-il. «Je pense que l’université est le meilleur endroit pour faire cela.»