Des physiciens du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont développé un diagnostic qui fournit des informations cruciales en temps réel sur le plasma ultra chaud tourbillonnant dans des machines de fusion en forme de beignet connues sous le nom de tokamaks. Cet appareil surveille quatre emplacements dans un plasma, permettant au diagnostic d'effectuer des calculs rapides de la façon dont les profils de vitesse des ions à l'intérieur du plasma évoluent au fil du temps.

Les résultats sont parmi les premiers obtenus de PPPL National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), la machine phare du Laboratoire récemment mise à niveau. Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).

Dans un article du numéro de novembre 2016 de Physique des plasmas et fusion contrôlée , les physiciens Mario Podestà et Ron Bell rapportent le succès de la mise en service et du fonctionnement de l'appareil, appelé diagnostic de vitesse en temps réel (RTV), qui pourrait faire partie d'un système de contrôle actif de la vitesse de rotation du plasma. « Le contrôle de la rotation est essentiel pour optimiser la stabilité du plasma contre une gamme d'instabilités, " a noté Stan Kaye, directeur de programme adjoint pour NSTX-U. Une telle stabilité est essentielle pour que les réactions de fusion aient lieu.

Le diagnostic recueille des informations en observant ce qui se passe lorsqu'un faisceau d'atomes neutres est injecté dans le plasma. Lorsque ces atomes interagissent avec des ions carbone chargés dans le plasma, les atomes de carbone excités produisent un photon de lumière que le diagnostic détecte. L'instrument déduit la vitesse des ions du plasma en tenant compte de l'effet Doppler, le même processus qui fait que le ton des sirènes sonne plus haut lorsqu'on fonce vers quelqu'un et plus bas lorsqu'on s'éloigne.

Le petit nombre de mesures nécessaires est crucial pour la vitesse de calcul. "C'est comme la différence entre construire une voiture de route et une voiture de course, " a déclaré Podestà. " Quand vous construisez une voiture de course, vous supprimez tout ce qui n'est pas nécessaire et poussez pour augmenter les performances. De la même manière, ces quatre mesures donnent le minimum d'informations pour déduire la vitesse du plasma au fur et à mesure que la décharge du plasma évolue. les expériences précédentes sur le tokamak avant sa mise à niveau montrent que quatre mesures, chacune optimisée pour collecter le maximum de lumière, sont toutes nécessaires aux chercheurs pour contrôler la rotation du plasma, étant donné les contraintes intégrées de NSTX-U.

La mesure de la vitesse en temps réel n'est pas unique. D'autres tokamaks, comme le Joint European Torus (JET) en Angleterre et le JT-60U au Japon, disposer de diagnostics qui mesurent les vitesses en temps réel, mais à un taux d'échantillonnage inférieur à celui du diagnostic RTV. Podestà et Bell voulaient un diagnostic qui donne une image plus complète du profil de vitesse du plasma. Produire ce genre d'image impliquait de choisir très soigneusement les emplacements des quatre points de mesure.

"En outre, " dit Podestà, "Les plasmas dans NSTX-U peuvent évoluer à des échelles de temps plus rapides que celles typiquement observées dans JET ou JT-60U. Par conséquent, nous devions mesurer à des taux d'échantillonnage plus élevés pour avoir une meilleure idée de la façon dont la vitesse change au fil du temps lors d'une décharge de plasma."

En raison de ses calculs rapides, le diagnostic RTV pourrait un jour s'intégrer dans un système plus grand qui permettrait aux scientifiques d'affiner le profil de vitesse d'un plasma et d'optimiser les performances du plasma pendant les opérations de fusion.

PPPL, sur le campus Forrestal de l'Université de Princeton à Plainsboro, NEW JERSEY., est consacré à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas - ultra-chaud, gaz chargés et au développement de solutions pratiques pour la création d'énergie de fusion. Le laboratoire est géré par l'Université pour le Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis, qui est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis, et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, veuillez visiter science.energy.gov.