Positionnement précis, expérimentation efficace
Recherche et développement de la fusion nucléaire basée sur le laser en faveur d'un approvisionnement énergétique respectueux de l’environnement.
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La fusion nucléaire est considérée comme une solution visionnaire possible aux problèmes énergétiques du futur - propre et relativement peu risquée. Il s'agit de faire fusionner des petits noyaux atomiques à des températures et des pressions extrêmes, au lieu de les scinder comme dans les réacteurs des centrales nucléaires traditionnelles. Un processus similaire a lieu dans les étoiles et donc aussi dans le soleil. Il en résulte une énorme énergie - sans émission de CO2. L'idée de produire de grandes quantités d'énergie sans impact sur l’environnement à l'aide de la fusion nucléaire est considérée comme un rêve de l'humanité. Mais la fusion nucléaire est extrêmement exigeante sur le plan technique et sa réalisation nécessite, outre d'immenses investissements, une recherche et un développement ambitieux. Marvel Fusion GmbH, une start-up munichoise, poursuit ce rêve - avec pour objectif de construire la première centrale à fusion nucléaire commercialement exploitable. L'entreprise deep-tech a développé une nouvelle approche basée sur le laser qui permet de produire de l'électricité sans CO2, propre et sûre. La recherche pour le prototype entre dans une phase décisive avec la construction prévue d'un démonstrateur technologique dans le Colorado. C'est sur le campus de l'université de l'État du Colorado que doit être construit le premier système laser sur mesure au monde pour la recherche sur la fusion nucléaire commerciale. Pendant ce temps, la recherche fondamentale correspondante est menée à Munich et à Bucarest. Jusqu'à 20 caméras IDS sont utilisées simultanément pour observer et contrôler les expérimentations dans les chambres à vide élevé.
"Les caméras nous assurent une surveillance précise des expérimentations de recherche et de développement de la fusion basée sur le laser" - Caya Momm, Marvel Fusion -
Dans les chambres à vide élevé dans lesquelles les expériences sont menées, la plage de pression est de 10^-4 pascals. Cette pression extrêmement basse est bien inférieure à la pression atmosphérique d'environ 10^5 et nécessite des pompes à vide spéciales dont le temps de pompage peut atteindre 8 heures. Une réalisation efficace des expérimentations est donc essentielle. "Les caméras jouent donc un rôle crucial, car elles nous permettent d'observer les expérimentations et de contrôler les appareils de mesure", ajoute Caya Momm (Achats).
Le choix s'est porté sur un modèle de la famille de caméras GigE uEye LE. Un boîtier de protection spécialement conçu autour des caméras leur permet de résister aux conditions extrêmes et aux fortes impulsions électromagnétiques qui peuvent survenir lors des expérimentations de fusion. Ce boîtier de caméra dit EMP protège l'électronique de la caméra contre la décharge d'énergie élevée. "Cette construction nous garantit une fonctionnalité et une fiabilité optimales", confirme Kyle Kenney (ingénieur en laboratoire).
Alignement des instruments de mesure dans la chambre à vide
Mais que voient exactement les caméras ?
Pendant les expérimentations, certaines caméras sont positionnées de manière à vérifier les réflexions des miroirs et l'orientation du laser. D'autres caméras surveillent la disposition de notre structure à l'intérieur de la chambre à vide. "Cela est nécessaire car nous contrôlons la structure motorisée dans la chambre depuis l'extérieur. Les caméras IDS contrôlent les appareils de mesure, les détecteurs, les capteurs et les miroirs", explique Kyle Kenney, précisant qu’une expérience laser peut utiliser jusqu'à 20 caméras IDS. Les principaux aspects de l'utilisation des caméras sont par conséquent très variés :
• Alignement des optiques : Des caméras assurent le positionnement correct des miroirs.
• Prévention des collisions : Des caméras placées dans la chambre assurent une surveillance en temps réel afin d'éviter les collisions de la structure motorisée.
• Mise au point microscopique : Un autre jeu de caméras fait une mise au point précise sur la cible de nos lasers, ce qui permet un ciblage laser exact.
• Synchronisation avec l'impulsion laser : Les caméras doivent être synchronisées avec les impulsions laser afin de garantir des données précises et sans erreur.
Tout l'éventail des tâches est rempli par un seul modèle de caméra : Marvel Fusion a opté pour la caméra GigE monocarte UI-5241LE et S-Mount.
"Notre caméra peu encombrante à haute résolution est rapide et suffisamment petite pour pouvoir résoudre toutes ces tâches", explique Markus Schickner, Area Sales Manager chez IDS. Avec ses dimensions compactes de 45 x 45 millimètres, la GigE uEye LE est parfaitement adaptée aux projets embarqués spécifiques aux clients comme celui-ci. Elle s'intègre parfaitement dans le boîtier EMP, l'interface GigE permet en outre des longueurs de câble allant jusqu'à 100 mètres. En outre, ce modèle de caméra est recommandé en raison du capteur CMOS 1/1.8" d'e2v, qui fournit une résolution de 1,3 mégapixels (1280 x 1024) à une fréquence d'images de 50 fps. Des caractéristiques spécifiques telles que le trigger permettant la synchronisation avec l'impulsion laser ainsi que le prix ont également été des facteurs décisifs dans le choix du modèle. En effet, la uEye LE est réduite à l'essentiel et de ce fait à prix abordable. Néanmoins, le modèle intégré ici est si polyvalent qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des caméras spéciales pour répondre aux exigences diverses. Cela simplifie énormément la gestion des caméras (jusqu'à 20) qui participent à l'expérience.
"Les caméras sont conçues pour fonctionner efficacement dans le cadre de nos expérimentations laser", confirme Caya Momm en évoquant la polyvalence des caméras. "De plus, elles permettent une retransmission directe et en continu des expérimentations laser. Cela élimine en partie la nécessité d'entrer dans la chambre à vide", ajoute-t-elle. La sécurité est assurée par un scellement robuste du boîtier de la caméra, qui empêche les particules de s'échapper et protège efficacement l'intégrité de la chambre à vide contre la contamination.
Calibrage d'une parabole Thomson pour la mesure des ions
Les informations d'images capturées sont traitées à l'aide d’une structure logicielle Open Source appelée Tango Controls, dans laquelle les caméras IDS s'intègrent rapidement et facilement via l'interface GigE Vision Standard. Tango Controls permet de contrôler et de surveiller les appareils dans des systèmes distribués et a été spécialement conçu pour les institutions scientifiques et les laboratoires nécessitant une intégration et un contrôle complexes des appareils comme celui-ci. Les caméras IDS, mais aussi tout autre appareil intégré au système, peuvent ainsi être contrôlés individuellement via le réseau. Parallèlement, Tango prend en charge la communication basée sur les événements, ce qui permet de réagir en temps réel et d'adapter le dispositif expérimental et le système de vision dès que cela s'avère nécessaire au cours de l'expérience. Les images en direct fournies par les caméras sont immédiatement traitées et livrées à l'aide de Tango Controls. "Les résultats se sont avérés très satisfaisants, car la position du laser a été localisée avec précision. Grâce au traitement d'image, nous pouvons définir ou réorienter avec précision la position des optiques avec des entraînements linéaires", explique Oscar Juina (Electrical Engineer).
Vérification du système laser
Outlook
"Les caméras de conception spécifiques avec des boîtiers EMP de cette qualité sont généralement difficiles à trouver et très chères", explique Caya Momm, acheteuse chez Marvel Fusion. "L'adaptabilité et la disponibilité des caméras IDS sont précieuses pour nous. Comme nous nous concentrons actuellement sur des expérimentations limitées dans le temps, le nombre de caméras nécessaires est encore faible. Toutefois, cela pourrait changer à l'avenir, compte tenu de l'augmentation prévue des expérimentations de fusion à plus grande échelle et des futures centrales électriques de fusion. Selon ses propres informations, l'installation laser à impulsions courtes la plus puissante du monde devrait voir le jour dans le Colorado d'ici 2026, les premières centrales électriques commerciales devraient être construites dès le milieu des années 2030 et l'entreprise espère pouvoir contribuer largement à l'approvisionnement énergétique d'ici 2045.
Caméra
uEye LE - La caméra de projet à prix avantageux et peu encombrante
Modèle utilisé : UI-5241LE-MB
Famille de caméras : uEye LE
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