Membres du groupe de faisceaux neutres DIII-D devant un boîtier de faisceau pour deux des huit lignes de faisceau. Crédit :Atomique générale
Des chercheurs travaillant à l'installation nationale de fusion DIII-D de General Atomics (GA) ont créé un nouvel outil important pour contrôler les plasmas de fusion qui sont plus chauds que le soleil.
L'énergie et la quantité de mouvement dans le plasma magnétiquement contenu du DIII-D sont fournies par de grands systèmes de faisceaux de particules neutres, et la récente démonstration par GA du contrôle précis de la puissance et du couple injectés est une première. Les scientifiques sont désormais capables de préprogrammer ces entrées sur la durée des décharges plasma (appelées « shots »). GA a dirigé l'effort de développement en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Californie-Irvine et du Laboratoire de physique du plasma de Princeton.
Précédemment, ces entrées ont été adaptées en utilisant la modulation on/off des faisceaux neutres, entraînant de grandes perturbations, c'est-à-dire des oscillations de puissance. La nouvelle méthode permet une spécification séparée et continue de la puissance et du couple, y compris la capacité importante de maintenir un niveau de puissance injecté fixe tout en faisant varier le couple.
Changer le mode de fonctionnement de ce système est un effort important, compte tenu de la taille et de la complexité de chaque système de faisceaux ; il y a quatre boîtiers de la taille d'un camion pour huit faisceaux totaux à DIII-D (figure 1). Le système de faisceau neutre injecte jusqu'à 20 mégawatts de puissance, environ la puissance utilisée par 15, 000 foyers.
Spectrogrammes de la perte d'ions du faisceau mesurée. Les deux prises de plasma présentent la même puissance totale de faisceau, mais le plan illustré à droite utilise un programme de tension de faisceau qui réduit considérablement l'amplitude des ondes plasma cohérentes. Crédit :D.C. Pace, et al., Nucl. Fusion 57, 014001 (2017)
Autrefois, faisceaux neutres ont fonctionné en accélérant des ions à travers une haute tension (environ 90, 000 volts, par rapport aux 120 volts d'une prise de courant domestique typique) qui est fixe dans le temps, puis les faire passer à travers une chambre de gaz dense où ils se neutralisent et volent dans le plasma magnétisé. Une tension d'accélération élevée est nécessaire pour maximiser la vitesse de l'atome neutre résultant et la puissance de chauffage du faisceau.
Les expériences de ces dernières années ont montré que la vitesse des particules du faisceau peut produire ou amplifier des ondes de plasma électromagnétiques qui projettent ces particules du faisceau hors du plasma et dans les parois du tokamak. Cela présente un dilemme car une puissance élevée du faisceau est nécessaire pour atteindre les températures de fusion, mais la perte de particules du faisceau réduit la température et peut entraîner des dommages coûteux le long des parois du tokamak.
La solution est de faire varier la haute tension du faisceau dans le temps, réduisant ainsi les pertes de particules du faisceau dues aux ondes plasma tout en maximisant la puissance du faisceau d'entrée. Lorsque le plasma est chauffé, le comportement des ondes de plasma change de telle sorte que les particules du faisceau de différentes vitesses interagissent avec les ondes. Maintenant, les faisceaux neutres DIII-D peuvent recevoir des profils de tension préprogrammés qui minimisent les interactions onde-particule. Cela maintient les particules du faisceau dans le plasma et permet à la tension du faisceau d'augmenter à des niveaux plus élevés qui maximisent la puissance de chauffage d'entrée. Un exemple d'activité réduite des ondes de plasma est illustré dans les graphiques ci-dessous (Figure 2), où des conditions de plasma similaires produisent des ondes très différentes en fonction de l'évolution temporelle de la tension du faisceau.
"Ce projet a impliqué deux ans d'ingénieurs et de physiciens travaillant dur pour créer quelque chose de nouveau, et c'est merveilleux de le voir fonctionner avec succès sur DIII-D, " a déclaré le Dr David Pace, un physicien qui a dirigé le projet pour le groupe GA Energy, "Maintenant, nous pouvons nous concentrer sur la prochaine étape passionnante, qui démontre toutes les façons dont ces faisceaux à tension variable peuvent améliorer la fusion magnétique dans des machines à travers le monde."
Les premiers résultats seront présentés par Tim Scoville, chef du Groupe Faisceau Neutre à DIII-D, à la réunion annuelle de l'American Physical Society Division of Plasma Physics, 31 octobre - 4 novembre. Ce travail est soutenu par le département américain de l'Énergie, Bureau des sciences, Bureau des sciences de l'énergie de fusion, à l'installation DIII-D exploitée par GA.
