Techniques de mesure de précision dans les systèmes d’énergie de fusion

L’énergie de fusion est considérée comme une solution durable pour une production d’énergie propre, fiable et pratiquement illimitée. En reproduisant les processus qui régissent le fonctionnement du soleil, les systèmes de fusion visent à produire de l’énergie sans émettre de CO₂ et en générant un minimum de déchets. Contrairement aux procédés conventionnels de production d’énergie, la fusion offre un potentiel de densité énergétique élevée avec des conditions de fonctionnement intrinsèquement sûres. Elle constitue donc une approche intéressante pour contribuer au développement des réseaux électriques tout en alimentant des applications gourmandes en énergie, telles que les centres de données d’IA.

Sa mise en œuvre nécessite le confinement et le contrôle d’un plasma à des températures extrêmement élevées. Pour ce faire, on utilise généralement des aimants supraconducteurs qui fonctionnent à des courants et des tensions élevés, dans des environnements électromagnétiques très intenses.

Exigences essentielles en matière de mesure au sein des systèmes de fusion

Si les systèmes de fusion fonctionnent à des niveaux d’énergie élevés, de nombreuses mesures diagnostiques décisives sont toutefois effectuées à des niveaux de signal très faibles, souvent compris entre quelques millivolts et quelques volts. Il en résulte un défi majeur : les variations électriques les plus infimes doivent être identifiées dans un environnement caractérisé à la fois par des transitoires de l’ordre du kilovolt, mais aussi par de fortes perturbations électromagnétiques.

Un exemple classique est la surveillance de la tension des aimants pour la détection de quench. Dans des conditions normales, les aimants supraconducteurs fonctionnent à très basse température afin de permettre un fonctionnement pratiquement sans résistance.  Toutefois, en cas de perturbation, une légère chute de tension ohmique se produit, ce qui peut indiquer le début d’un quench.

Un « quench » désigne le passage d’une partie du matériau supraconducteur à un état de conductivité normale. Il en résulte un réchauffement local et une redistribution du courant vers la zone résistive, ce qui entraîne la formation d’un point chaud prononcé à l’intérieur de l’aimant.

Une détection rapide est ici essentielle. La perte de supraconductivité peut entraîner la libération de l’énergie stockée, ce qui peut endommager l’électronique de puissance et les systèmes de commande en aval et, dans les cas extrêmes, provoquer une désactivation complète du système.

Outre la détection de quench, les mesures de tension permettent également d’analyser la stabilité et de surveiller les performances des installations. Elles fournissent des informations en temps réel sur l’état du système. Toutes ces applications ont en commun une même exigence : mesurer avec précision de faibles signaux dans un environnement soumis à des tensions élevées et à de fortes perturbations électriques.

Défis liés à la mesure

Le principal défi dans les environnements de fusion réside dans l’extraction fiable des signaux. Les champs magnétiques à variation rapide et les phénomènes transitoires génèrent des tensions induites qui peuvent être supérieures de plusieurs ordres de grandeur aux signaux de mesure proprement dits. Sans mesures appropriées, ces effets masquent les informations pertinentes.

Le rôle de Knick dans les systèmes de mesure de fusion

Les solutions de mesure de Knick sont conçues pour satisfaire à ces exigences. Elles permettent de mesurer avec précision des signaux électriques de faible niveau dans des environnements à haute tension.

Grâce à l’isolation galvanique entre l’entrée, la sortie et l’alimentation, ces systèmes empêchent la transmission de tensions dangereuses tout en garantissant l’intégrité du signal. Ils permettent ainsi de détecter de manière fiable de faibles signaux différentiels, même en présence de tensions de mode commun élevées.

Un niveau élevé de réjection de mode commun garantit en outre la stabilité des mesures dans des conditions à fortes perturbations électromagnétiques et permet de mettre en place une architecture de régulation précise et fiable.

Cette combinaison permet aux développeurs de systèmes de fusion de collecter de manière fiable des données de diagnostic critiques tout en protégeant les instruments, les systèmes en aval et le personnel opérateur. La mise à disposition de signaux précis et à isolation galvanique pour les circuits de commande et de sécurité permet de mettre en œuvre rapidement des mesures de protection, telles que la détection de quench et la mise hors tension du système. Elle renforce ainsi la sécurité d’exploitation et améliore la fiabilité à long terme de l’ensemble du système.