Les aimants d'ITER atteignent 34 000 ampères : pourquoi une bobine de 330 tonnes doit-elle être testée à partir de la moitié du courant nominal ?

Le 30 octobre, sur le chantier du réacteur thermonucléaire expérimental international (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) dans le sud de la France, une bobine en forme de D de 330 tonnes a été transférée de l'installation d'essais cryogéniques vers son berceau de transport. L'organisation ITER a annoncé le 2 novembre que cette bobine de champ toroïdal n° 17 avait été portée à 34 000 ampères dans un environnement d'environ 4 kelvins, soit la moitié de son courant nominal de fonctionnement. L'objectif principal de l'essai est de comparer les déformations mesurées sous charge électromagnétique avec le modèle structurel. Pour un aimant destiné à être installé avec la chambre à vide dans un espace confiné, les variations de forme à l'échelle millimétrique, l'échauffement localisé des jonctions électriques et l'identification des signaux de quench méritent d'être vérifiés séparément avant l'assemblage final.

Pour confiner le plasma dans un anneau, la bobine doit d'abord supporter les forces qu'elle génère elle-même

Le tokamak (Tokamak) utilise des champs magnétiques pour confiner les particules chargées. Les bobines de champ toroïdal (Toroidal Field Coil) sont disposées autour de la chambre à vide et établissent le champ magnétique principal le long du canal toroïdal ; combinées à d'autres composantes de champ, elles forment la structure magnétique destinée au confinement du plasma. Plus le champ magnétique est intense, plus les forces électromagnétiques subies par les conducteurs et les structures de support des bobines sont importantes. Lorsque le courant traverse les conducteurs, la bobine subit des tendances à la compression, à la traction et à la flexion. Si les déplacements réels sous charge s'écartent du modèle, les charges aux interfaces d'assemblage peuvent être redistribuées, affectant les bobines adjacentes, les supports et l'isolation.

Le courant à mi-charge nominale est particulièrement susceptible d'être confondu avec une demi-charge. Selon un modèle simplifié à géométrie invariante où le champ magnétique varie principalement avec le courant de la bobine elle-même, les forces électromagnétiques induites par le champ propre augmentent approximativement comme le carré du courant. Lorsque le courant est réduit de moitié, ce type de charge correspond approximativement au quart. Dans les essais réels, il faut également tenir compte des contraintes de support, de la géométrie de la bobine et de la disposition de l'installation d'essais. Dans la machine complète, les champs magnétiques des bobines adjacentes et l'action combinée des structures de connexion interviennent également. L'essai de la bobine n° 17 fournit des données mesurées pour valider le modèle. Ce n'est qu'après validation à ce stade que le modèle pourra être utilisé avec plus de fiabilité pour planifier les essais à courant élevé et identifier les zones structurelles les plus sollicitées.

Une bobine supraconductrice peut aussi commencer à s'échauffer à partir d'une simple jonction

La supraconductivité (Superconductivity) permet à un conducteur de transporter de forts courants dans des plages appropriées de température, de champ magnétique et de courant, mais les jonctions électriques reliant différents segments doivent encore voir leur résistance finie mesurée. Comme l'échauffement par effet Joule augmente avec le carré du courant, une résistance supplémentaire infime sur une surface de contact peut amplifier la charge thermique locale sous fort courant. Lors des préparatifs préliminaires, ITER a découvert qu'une jonction de ligne d'alimentation présentait une résistance supérieure aux attentes ; l'inspection a permis de remonter la cause à une oxydation de la surface de contact. Après traitement, l'équipe n'a pu reprendre les opérations de refroidissement et de mise sous tension. L'intérêt d'avoir détecté ce problème à l'avance est d'éviter qu'il ne survienne au stade de l'installation dans la machine complète, où le démontage et l'inspection seraient plus difficiles.

Le quench (Quench) est le processus par lequel une partie du conducteur quitte localement l'état supraconducteur. Dès qu'une résistance apparaît dans une zone encore parcourue par le courant, la nouvelle chaleur peut continuer à étendre la zone de quench. Le système de protection doit distinguer les signaux de tension lors de la montée normale en courant des signaux anormaux, et déclencher dans un délai prescrit une décharge contrôlée de l'énergie. Le processus de décharge impose également des exigences à l'isolation. En mai de cette année, ITER avait refroidi la bobine n° 7 et l'avait portée à 10 000 ampères, afin de vérifier la résistance des jonctions et la détection de quench dans différentes conditions de fonctionnement. La bobine n° 17 pousse la plateforme vers un courant plus élevé, en mettant l'accent sur les preuves de déformation structurelle, ce qui illustre comment un même banc d'essais élargit progressivement le domaine vérifiable.

La prochaine bobine de rechange doit tester l'ensemble de la chaîne de protection

ITER prévoit de poursuivre les essais avec la bobine de champ toroïdal de rechange n° 19, le refroidissement devant débuter en avril 2027. Il est prévu de vérifier d'abord l'isolation électrique avec un mode de connexion des lignes d'alimentation plus proche de celui de la machine principale, puis de configurer des structures de support supplémentaires pour réaliser un essai à 68 000 ampères. L'équipe prévoit également de chauffer localement la bobine pour déclencher activement un quench, afin de mesurer la marge de température et la réponse du système dans les conditions correspondantes. La qualification de l'isolation sous vide est particulièrement importante : le processus de mise sous vide ou les variations locales de pression gazeuse peuvent modifier les conditions de décharge, et les interfaces électriques doivent être validées dans les environnements réellement susceptibles d'être rencontrés.

Cet ensemble d'essais fait appel à la cryogénie, au vide, à l'alimentation électrique, à la mesure, au contrôle et à des outillages de grande dimension. Il prend du temps, mais il permet aussi de traiter les problèmes avant l'assemblage final. Si un problème était découvert après l'installation de la bobine dans un secteur de la chambre à vide, il faudrait rouvrir les interfaces, ce qui pourrait également affecter les opérations ultérieures de levage, d'isolation thermique et de tuyauterie. En intégrant ces dépendances dans le planning, le banc d'essais cryogéniques assume une double mission de qualité et de planification des travaux. Quant à l'exploitation du plasma de fusion et à la production d'électricité, elles relèvent d'étapes distinctes ; les données des essais de bobines ne peuvent que démontrer que les équipements et conditions de fonctionnement correspondants ont progressé.

La prochaine étape consiste à voir valider simultanément les données d'isolation, de déformation et de quench

Après l'essai de la bobine n° 17, les trois résultats les plus importants à suivre concernent la bobine n° 19 sous courant plus élevé : la conformité continue des déplacements structurels au modèle, la stabilité des jonctions et de l'isolation à la terre dans différentes conditions de température et de pression, et la capacité du système de détection et de décharge à fonctionner conformément à la conception lors d'un déclenchement actif de quench. Même si une bobine individuelle réussit la validation au courant nominal, la machine complète devra encore évaluer les efforts entre bobines multiples et l'action coordonnée des protections. Pour le calendrier d'assemblage, pouvoir vérifier de manière répétée ces comportements d'interface est plus important que d'atteindre une fois le pic de courant.

(Cet article s'appuie sur les descriptions des essais en deux phases de l'organisation ITER et sur les actualités du Centre d'exécution du programme chinois d'énergie de fusion internationale ; il a été rédigé de manière indépendante après une organisation assistée par intelligence artificielle, dans le but d'expliquer la validation par étapes des aimants de fusion. La relation quadratique de la charge due au champ propre est une explication physique simplifiée et ne saurait remplacer les calculs structurels du banc d'essais ou de la machine complète.)