Pour capturer et contrôler sur Terre les réactions de fusion qui animent le soleil et les étoiles, les chercheurs doivent d'abord transformer le gaz à température ambiante en gaz chaud, plasma chargé qui alimente les réactions. Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont mené une analyse qui confirme l'efficacité d'un roman, méthode non standard pour démarrer le plasma dans les futures installations de fusion compactes.

La technique innovante, connu sous le nom « d'injection hélicoïdale coaxiale transitoire (CHI), " élimine l'aimant central, ou solénoïde, qui lance le plasma à l'intérieur des tokamaks, les installations de fusion les plus utilisées. Une telle élimination pourrait faciliter la constante, ou en régime permanent, réactions de fusion et aussi libérer un espace précieux au centre de tokamaks sphériques compacts, dont la forme de pomme évidée a moins de place à l'intérieur que les tokamaks classiques en forme de beignet qui sont plus courants.

Offrir des avantages

L'espace libéré pourrait présenter des avantages :il pourrait être utilisé pour renforcer le champ magnétique qui confine le plasma et ainsi améliorer ses performances. La suppression du solénoïde pourrait également simplifier la conception de tokamaks compacts.

Les réactions de fusion fusionnent des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui se produit naturellement dans tout l'univers et génère ainsi de l'énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable d'énergie sûre et propre pour produire de l'électricité.

Des solénoïdes descendent au centre d'un tokamak et induisent du courant dans le gaz non chargé que les chercheurs injectent dans l'installation. Le courant dépouille les électrons des atomes du gaz, en le transformant en un plasma chargé - un processus appelé " ionisation, " ou claquage du plasma. Le courant crée également un champ magnétique qui se combine avec le champ produit par les aimants qui entourent le tokamak pour embouteiller et contrôler le plasma, permettant de chauffer le chauffage pour produire des réactions de fusion.

Éliminer le solénoïde

Par contre, le processus transitoire CHI rapporté dans Physics of Plasmas produit le courant électrique crucial avec des électrodes placées près du bas ou du haut du tokamak, éliminant le solénoïde mangeur d'espace. « Ce sur quoi nous nous sommes principalement concentrés était la première étape de la formation du plasma, " a déclaré le physicien Kenneth Hammond du Max Planck Institute of Plasma Physics, l'auteur principal de l'article qui a fait des recherches sur le CHI en tant qu'étudiant diplômé de l'Université Columbia à PPPL et qui rejoint le laboratoire cet été. "Cela a aidé à brosser un tableau plus complet du fonctionnement des décharges CHI."

Le CHI transitoire, appelé ainsi parce que les électrodes qui produisent le courant de lancement de plasma fonctionnent brièvement plutôt que de manière continue, a d'abord été développé dans des expériences sur le petit tore d'injection d'hélicité (HIT-II) à l'Université de Washington et la plus grande expérience nationale sur le tore sphérique. (NSTX) à PPPL avant sa mise à niveau ; le processus avait également été modélisé au PPPL. Les expérimentations, qui a montré que le CHI transitoire pouvait être étendu des petites machines aux plus grandes, motivé la récente étude, dit Roger Raman, un physicien de l'Université de Washington en affectation à long terme au PPPL et co-auteur de l'article.

L'étude a révélé que le placement des électrodes CHI dans les expériences précédentes "pourrait présenter une grave faiblesse lorsqu'il est mis à l'échelle à un réacteur, " a déclaré Hammond. Il a ensuite analysé une configuration d'électrode alternative similaire à celle actuellement utilisée dans QUEST, un tokamak sphérique au Japon. Les résultats ont montré que la configuration alternative pourrait bien évoluer dans une future installation de fusion sphérique basée sur un tokamak conçue au PPPL. "La bonne nouvelle de cette étude est que les projections de démarrage dans des appareils à grande échelle semblent prometteuses, " dit Hammond.

Potentiel précieux

La technique CHI a un potentiel précieux, approuva Tom Brown, un ingénieur principal chez PPPL qui a aidé à concevoir le concept de la future installation sphérique. « En cas de succès, CHI pourrait fournir de l'espace pour les composants intérieurs qui pourraient améliorer les performances des dispositifs sphériques, " a déclaré Brown. Cependant, il ajouta, « d'autres détails d'ingénierie doivent être développés au niveau expérimental qui peuvent également fonctionner dans un dispositif [de démonstration] de niveau supérieur et également dans une éventuelle centrale à fusion. »

Les chercheurs ont jusqu'à présent testé la mise à l'échelle du CHI dans des simulations menées sur le code de simulation Tokamak, un programme informatique créé par le physicien PPPL Stephen Jardin qui a modélisé des plasmas dans le monde entier. Jardin, un co-auteur de la Physique des plasmas rapport, travaillé avec Raman pour produire la simulation mentionnée dans le document. "Bien que le CHI n'ait jamais été testé sur un appareil à grande échelle de réacteur, " Hammond a dit, "nous sommes optimistes que les mêmes relations se maintiendront sur la plus grande taille avec des champs magnétiques plus forts."

De futures expérimentations sont prévues sur URANIA, un tokamak sphérique sans solénoïde à l'Université du Wisconsin-Madison. Les nouvelles expériences testeront le démarrage du plasma avec deux électrodes CHI transitoires fonctionnant indépendamment, une configuration qui pourrait produire une plus grande flexibilité pour optimiser le système prometteur.