Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont acquis une meilleure compréhension d'une méthode prometteuse pour améliorer le confinement du plasma de fusion super chaud à l'aide de champs magnétiques. L'amélioration du confinement du plasma pourrait permettre de construire un réacteur à fusion appelé tokamak sphérique plus petit et moins coûteux, rapprocher le monde de la reproduction sur Terre de l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles.

Le confinement amélioré est rendu possible par le mode H dit de piédestal amélioré (EP), une variété de haute performance, ou mode H, état plasmatique observé depuis des décennies dans les tokamaks du monde entier. Lorsqu'un plasma de fusion entre en mode H, il nécessite moins de chauffage pour atteindre les températures surchauffées nécessaires aux réactions de fusion.

La nouvelle compréhension révèle certains des mécanismes sous-jacents du mode EP H, une condition que les chercheurs ont découverte il y a plus d'une décennie. Des scientifiques dirigés par des physiciens du PPPL ont maintenant découvert que le mode H EP améliore le mode H dans les tokamaks sphériques en abaissant la densité du bord du plasma.

La densité réduite se produit en mode EP H lorsque de petites instabilités dans le bord du plasma éjectent relativement froides, particules de faible énergie. Avec moins de particules froides à cogner, les particules les plus chaudes du plasma sont moins susceptibles de s'échapper.

"Comme les particules à plus haute énergie restent dans le plasma en plus grande quantité, ils augmentent la pression dans le plasma, alimenter les instabilités qui rejettent des particules plus froides et abaisser encore la densité des bords, " a déclaré le physicien PPPL Devon Battaglia, auteur principal d'un article présentant les résultats dans Physique des plasmas . "Finalement, l'interaction fortuite permet au plasma de rester plus chaud avec le même chauffage et peu de changement par rapport à la densité moyenne du plasma."

Les physiciens veulent comprendre les conditions dans lesquelles le mode H EP se produit afin de pouvoir les recréer dans les futures centrales à fusion. "Si nous pouvions faire fonctionner le plasma avec cette caractéristique en régime permanent, il offrirait une voie supplémentaire pour optimiser la taille et le gain de puissance des futurs réacteurs à fusion, " a déclaré Walter Guttenfelder, physicien du PPPL, l'un des chercheurs qui ont contribué aux résultats.

Les réacteurs à fusion combinent des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques - pour générer de grandes quantités d'énergie. Les scientifiques utilisent des réacteurs à fusion pour développer le processus qui entraîne le soleil et les étoiles pour une alimentation pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Les physiciens Rajesh Maingi et David Gates ont découvert le mode EP H en 2009 en utilisant l'expérience nationale du tore sphérique (NSTX) de PPPL, le prédécesseur du National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U). "Leur découverte était passionnante parce que le plasma confiné s'est réorganisé et a mieux résisté à sa chaleur sans grand changement dans la quantité de plasma, " dit Battaglia.

"C'est comme ajouter une meilleure isolation à votre maison, " dit-il. " Plus le plasma retient sa chaleur, plus vous pouvez rendre l'appareil petit, puisque vous n'avez pas besoin de couches supplémentaires de plasma pour isoler le noyau chaud. il ajouta, "en faisant un bond dans notre compréhension de la façon dont le mode EP H se produit, nous pouvons avoir plus de confiance pour pouvoir prédire si cela va se produire. La prochaine étape consiste à utiliser les nouvelles capacités de NSTX-U pour démontrer que nous pouvons tirer parti de ce processus dans nos conceptions de réacteurs à fusion. »