Accélérer le calendrier vers un futur, porté par l’énergie de fusion
General Fusion et Veryst Engineering ont collaboré pour simuler et mieux comprendre le comportement interne d'un démonstrateur de réacteur de fusion et prévoir ses performances.
Par Joseph Carew
Juillet 2025
Les centrales électriques à fusion sur cible magnétisée (MTF, Magnetized Target Fusion) ont le potentiel de produire d’importantes quantités d’énergie grâce à une technologie comparativement peu coûteuse, sans émettre de carbone. Dans un réacteur MTF de General Fusion, le plasma d'hydrogène (comme le deutérium-tritium, ou D-T) est injecté dans une cuve de métal liquide formée à l'intérieur du réacteur de fusion. Ensuite, un ensemble de pistons comprime et remodèle la cuve de métal liquide autour du plasma, augmentant la densité et la température de celui-ci. Cela permet d’atteindre les conditions nécessaires à la fusion, qui peut alors se déclencher ! Il s’agit d’un procédé pulsé qui, dans une centrale commerciale, se répète une fois par seconde. La paroi en métal liquide de la cuve capte l'énergie des neutrons, la convertit en chaleur, puis l'achemine vers un échangeur de chaleur pour créer de la vapeur et in fine produire de l'électricité.
Les ingénieurs de General Fusion utilisent la technologie MTF pour introduire l'énergie de fusion dans le réseau électrique commercial à l’horizon 2030-2035. Ce projet a franchi une étape importante avec la mise en service de Lawson Machine 26 (LM26) : le démonstrateur de réacteur de fusion à grande échelle de General Fusion. Grâce à la simulation multiphysique, General Fusion a réussi à concevoir et à optimiser le LM26 et a ainsi franchi une étape importante vers sa vision d'un futur alimenté par l'énergie de fusion.
Le LM26 repose sur la compression électromagnétique d’un liner de lithium pour atteindre les conditions nécessaires à la fusion
Fin 2024, le LM26 (Figure 1) a été construit afin de réduire les risques technologiques liés à la future machine MTF commerciale de General Fusion. Les objectifs du projet LM26 sont d'atteindre 1 keV, puis 10 keV puis le critère de Lawson.
Le LM26 est conçu pour injecter un plasma de tokamak sphérique dans la chambre et le comprimer à l'aide d'un liner solide de lithium afin d'atteindre les températures de plasma nécessaires à la fusion. Pendant la compression, un champ magnétique toroïdal est généré par un courant axial circulant dans la structure en sablier qui maintient le plasma confiné et stable. Ce processus crée les conditions de température et de densité de plasma qui permettent la fusion des ions du plasma et la libération d'énergie sous forme de neutrons.
Dans le concept de centrale MTF de General Fusion (Figure 2), ce sont des pistons qui déclenchent le processus de compression, et non des bobines magnétiques comme dans le LM26. Cette solution de piston est propre à General Fusion, car les autres méthodes de fusion reposent sur des bobines supraconductrices, des lasers ou d'autres équipements coûteux.
"Pour la MTF, plus le volume initial du plasma est important, plus il peut rester chaud longtemps, ce qui nous donne plus de temps pour comprimer le plasma jusqu'aux conditions de fusion," explique Jean-Sebastien Dick, responsable de l'analyse technique chez General Fusion. "Chez General Fusion, nous avons itéré le processus et développé un point de fonctionnement de la centrale qui est non seulement commercialement viable, mais aussi très compétitif par rapport aux autres types d'énergie sur le marché."
Modélisation de la compression magnétomécanique d’un liner solide de lithium
Le LM26 vise les seuils de température clés de 1 keV, 10 keV et l'équivalent du critère de Lawson par compression d’un liner solide de lithium. Grâce au logiciel COMSOL Multiphysics®, l'équipe a pu modéliser et mesurer les effets internes afin de prévoir les performances de la conception du LM26 (Figure 3).
"Lorsque j'ai rejoint General Fusion, en voyant le type de défis auxquels nous étions confrontés, j'ai pensé que COMSOL Multiphysics serait un excellent outil à ajouter à notre liste de logiciels," déclare M. Dick. "C'est ce qui nous a amenés à collaborer avec Veryst Engineering, qui est un expert reconnu dans le domaine de la multiphysique. Ils maitrisent parfaitement le logiciel COMSOL."
Calibrage d'un modèle matériau du lithium réalisé avec l'aide de Veryst Engineering
Le partenariat de General Fusion avec Veryst Engineering, un consultant certifié COMSOL spécialisé en simulation hautement non linéaire et en modélisation des matériaux, a joué un rôle essentiel dans le développement du LM26. Sean Teller, ingénieur principal chez Veryst, a travaillé avec M. Dick pour développer des modèles matériaux permettant de simuler avec précision la réponse d’un liner de lithium. Ces informations ont été cruciales pour la modélisation précise et prédictive des trajectoires d’un liner du LM26, afin que General Fusion puisse concevoir et fabriquer le LM26.
Comme l'explique M. Teller, "Nous avons utilisé les simulations COMSOL Multiphysics avec des plans expérimentaux intégrés et des validations pour permettre à l'équipe de General Fusion d'itérer rapidement sur les conceptions du LM26. Les modèles prédictifs sont primordiaux pour atteindre les conditions nécessaires à la production d’une énergie de fusion propre, viable et abondante."
L'un de ces essais de traction consistait à mesurer la réponse matériau du lithium solide. À l'aide d'une caméra à grande vitesse et de cellules de charge à impact, Veryst et General Fusion ont chauffé le lithium avec une paire d'éléments chauffants en céramique et ont étiré l'échantillon jusqu'à la rupture afin de mesurer la réponse contrainte-déformation (Figure 4). Les résultats de ces expériences ont ensuite été utilisés pour calibrer un modèle de Johnson–Cook (Figure 5).
"Le modèle complet est assez complexe," indique M. Teller. "Il utilise un maillage mobile pour le lithium et le plasma comprimé, la mécanique du solide non linéaire et le modèle matériau de Johnson–Cook, et les forces électromagnétiques modélisées par des circuits entraînent la compression du lithium. Le liner de lithium a un impact sur le dispositif en sablier, et il est donc essentiel de capturer le contact non linéaire pour obtenir des prédictions précises." Pour ajouter à la complexité, des transferts de chaleur se produisent entre tous les composants du modèle.
Différentes conceptions de LM26 ont pu être évaluées simultanément et dans les mêmes conditions avec le logiciel COMSOL®. Veryst et General Fusion ont utilisé un solveur temporel entièrement couplé, et un remaillage automatique pour capturer les grandes déformations et les pressions à l'intérieur du LM26.
"Tout cela a nécessité une intégration étroite entre les essais physiques et les modèles éléments finis afin d'obtenir des informations fondamentales sur la conception de ce compresseur," précise M. Teller.
Pendant la phase de validation des modèles, qui a conduit au développement du LM26, General Fusion a comprimé 40 liners de lithium par électromagnétisme pour valider le modèle COMSOL. L'équipe a mené des expériences physiques en utilisant un prototype à échelle réduite du système de compression (Figure 6).
Pour mesurer la déformation des liners, General Fusion a mis au point une technique de reconstruction par lumière structurée (SLR). Cette technique consiste à utiliser des nappes de lumière laser pour extraire la vitesse en plusieurs points du liner. General Fusion a également utilisé la vélocimétrie Doppler à photons pour mesurer la vitesse du point central du liner de lithium. Cette association a permis à General Fusion de recréer la déformation observée lors des expériences physiques et de la comparer aux résultats de la simulation à des fins de validation. Ils ont ensuite utilisé ce modèle de matériau dépendant de la vitesse et de la température (Figure 5) dans des simulations successives du compresseur à plasma et ont constaté une bonne concordance entre les données d'essai et les données obtenues lors des essais précédents.
"Les performances du compresseur n'auraient pas été possibles sans les connaissances acquises grâce aux simulations préliminaires et au modèle multiphysique, qui ont particulièrement aidé à orienter la conception," affirme M. Teller. "Ces validations renforcent la confiance dans les futurs efforts de modélisation visant à perfectionner les réacteurs pour atteindre le critère de Lawson et une énergie propre."
Adapter l'impédance du compresseur
L'un des éléments clés du LM26 est son compresseur électromagnétique. Cette partie de la machine est chargée de la compression rapide du plasma magnétisé. Un compresseur électromagnétique bien conçu doit pouvoir adapter son impédance au temps de compression de la machine. Lorsque l'impédance et la compression suivent la même échelle de temps, cela permet une "compression efficace". Une "compression efficace" convertit une fraction importante de l'énergie électrique initiale stockée en énergie cinétique.
La modélisation et la simulation ont permis à General Fusion d'ajuster l'impédance de l'alimentation, de voir comment les modifications de la conception avaient un impact sur les performances et de maximiser l'efficacité de la compression.
Afin d’adapter l'impédance, M. Dick a utilisé le logiciel pour ajuster le nombre de spires des bobines du compresseur, modifier la distance initiale entre le liner et les bobines (connue sous le nom de l'"entrefer"), et modifier la façon dont le liner est comprimé au cours de sa trajectoire. De plus, la forme du liner tout au long de la compression doit être contrôlée afin de garantir la stabilité du plasma, ce qui nécessite des itérations au niveau de l'épaisseur du liner et de l'espacement axial entre les bobines. M. Dick a résolu le modèle après avoir effectué différentes modifications de conception et comparé les résultats pour voir si la machine pouvait atteindre une compression stable du plasma.
"Nous avons mené plusieurs campagnes de caractérisation des matériaux pour nous assurer que ce liner se comporte comme prévu avec les taux de déformation élevés et les déformations plastiques importantes, auxquels nous sommes confrontés dans ce type de compresseurs," ajoute M. Dick.
Validation des modèles
Comme pour les dispositifs expérimentaux de validation des caractéristiques matériaux, General Fusion a procédé à des validations internes pour s'assurer que l'advection du champ magnétique par le liner correspondait aux prévisions analytiques.
"Nous avons effectué un test séparé avec chacune de ces bobines pour ajuster leur résistance et leur inductance dans leurs circuits et nous assurer qu'elles correspondent le plus possible à ce que nous avons mesuré avec les boucles de flux lors de nos expériences," développe M. Dick.
M. Dick s'est appuyé sur une simulation axisymétrique en 2D (Figure 7) du fonctionnement de la machine afin de réduire le temps de résolution.
Obtenir des points de données grâce à la simulation
"Le fonctionnement de COMSOL nous a permis d'accroître progressivement la complexité, de renforcer notre confiance dans nos idées de conception et d'éviter d'avoir à multiplier les étapes de conception," souligne M. Dick. "Nous n'avons pas eu à modifier de partie importante des expériences. Elles se sont toutes comportées comme prévu."
Grâce à l’utilisation du nœud Analyse paramétrique sur cluster dans COMSOL Multiphysics®, l'équipe de General Fusion est également en mesure d'effectuer des simulations dans un délai beaucoup plus court, en distribuant les calculs sur un certain nombre de nœuds. Le nombre de nœuds ajoutés est directement lié à la quantité de valeurs de paramètres calculées en parallèle. General Fusion s'en est servi pour calculer plus rapidement des études multiparamétriques.
"Dans le passé, l'exécution de ces simulations aurait pris plusieurs semaines, voire plusieurs mois, mais aujourd'hui, nous y parvenons en moins de 24 heures," commente M. Dick. "Nous sommes en mesure de réaliser des centaines de simulations dans ce laps de temps sur notre cluster."
L'équipe a pu utiliser les données de la simulation pour développer en toute confiance un espace de travail sûr pour les prototypes.
L'avenir de la simulation et de la fusion
L’équipe de General Fusion a pu, en combinant simulation multiphysique et expérimentation en conditions réelles, appréhender des phénomènes de plus en plus complexes au cours du développement de LM26. La simulation multiphysique et la recherche sur la fusion continueront d'être étroitement liées, tant que l'équipe poursuivra ses efforts en vue d'atteindre de nouveaux sommets en matière de fusion.
Le LM26 (Figure 8) a obtenu son "premier plasma" en février 2025 et produit maintenant des plasmas régulièrement, tandis que l'équipe de General Fusion optimise les performances en vue de la prochaine étape : la compression des plasmas pour créer la fusion et le chauffage par compression.
"Nous ne nous contentons plus d'étudier l'aérodynamique, la dynamique des fluides ou la dynamique des structures séparément ; nous mettons le tout en interaction," conclut M. Dick. "J'aime beaucoup la façon dont COMSOL aborde le monde de la simulation. J'apprécie l'approche classique et progressive qui permet d'accroître la complexité en assemblant les physiques comme les pièces d'un puzzle. Je pense que c'est le futur de la simulation, car les nouvelles innovations sont très complexes et nécessitent que différents phénomènes physiques soient pris en compte simultanément."
