Les particules de haute énergie LHD circulent à l'intérieur d'un plasma en forme de beignet torsadé, et ils provoquent des oscillations de plasma. En particulier, lorsque la période de la circulation et celle de l'oscillation du plasma correspondent, l'amplitude de l'oscillation augmente. Crédit :Dr Yasushi Todo
Le National Institute for Fusion Science a développé un nouveau code qui peut simuler le mouvement du plasma et, simultanément, le mouvement des particules circulant à grande vitesse. Dans le réacteur à fusion japonais appelé Large Helical Device (LHD), les chercheurs ont étudié les oscillations du plasma induites par des particules de haute énergie. Nouveaux résultats de recherche, ainsi que les données obtenues à partir des expériences LHD, ont clarifié les détails des oscillations qui ne peuvent pas être mesurées par des expériences et l'interaction des particules de haute énergie et de leurs oscillations.
Particules alpha de haute énergie (ions hélium), générés par des réactions de fusion utilisant du deutérium et du tritium, chauffer le plasma et maintenir les conditions de température élevées nécessaires à la réaction de fusion. La prédiction de leur comportement et leur contrôle sont les clés du maintien de la réaction de fusion. D'autre part, le plasma est aussi un fluide conducteur d'électricité. Et parce que le flux de courant électrique produit un champ magnétique, c'est ce qu'on appelle le magnétofluide, ou fluide magnétohydrodynamique.
Les plasmas magnétofluides oscillent. Lorsque la période d'oscillation et la période des particules alpha de haute énergie circulant à l'intérieur d'un plasma correspondent, il est possible que l'amplitude d'oscillation augmente en raison de la résonance. Par conséquent, parce que les particules alpha de haute énergie s'échappent du plasma, on craint que les performances du réacteur à fusion ne se dégradent. Afin de réaliser la génération d'électricité de fusion, il est impératif de faire des prédictions très fiables concernant la distribution des particules de haute énergie qui intègrent l'interaction du plasma avec les oscillations.
Le groupe de recherche dirigé par le professeur Yasushi Todo et le professeur assistant Hao Wang du National Institute for Fusion Science (NIFS) a développé un programme qui peut simuler le comportement du plasma et les mouvements des particules de haute énergie (le programme est appelé "simulation hybride" car il relie le fluide et les particules). Il est désormais possible de simuler l'interaction entre l'oscillation du plasma et les particules de haute énergie, ce qui n'était pas possible par les méthodes précédentes qui calculaient séparément le plasma et les particules de haute énergie.
En utilisant ce programme de simulation hybride sur des supercalculateurs—le simulateur de plasma de NIFS et Helios, du Centre international de recherche sur l'énergie de fusion, les chercheurs ont réalisé une simulation à grande échelle du plasma LHD. Dans les expériences LHD, ils ont mené des recherches sur les particules de haute énergie et les oscillations de plasma en utilisant des particules de haute énergie générées par injection de faisceau neutre (voir Fig. 1). Dans les résultats de simulation illustrés à la figure 2, ainsi que les données expérimentales pour les oscillations du plasma qui sont causées par les particules de haute énergie, ils ont clarifié les détails des oscillations qui ne peuvent pas être mesurées par l'expérience, ainsi que l'interaction de particules de haute énergie qui provoquent l'amplification de l'oscillation.
Ce programme de simulation hybride est approprié non seulement pour le LHD mais aussi pour les expériences de plasma de fusion au Japon et à l'étranger. En comparant les résultats expérimentaux concernant la distribution des particules de haute énergie et des oscillations, la fiabilité du programme a été confirmée. En reproduisant avec succès l'expérience LHD, les chercheurs ont produit le premier programme capable de simuler des particules de haute énergie et des oscillations de plasma.
Le comportement des oscillations causées par des particules de haute énergie circulant à l'intérieur d'un plasma LHD tel qu'obtenu à partir d'une simulation. Dans la section transversale du beignet, les incréments et décréments dus aux oscillations sont représentés en rouge et en bleu, respectivement, pour la vitesse du plasma (à gauche) et la pression (à droite). Crédit :Dr Yasushi Todo
Ce résultat de recherche a été annoncé lors de la 26e conférence de l'Agence internationale de l'énergie atomique qui s'est tenue du 17 au 22 octobre à Kyoto, Japon.
En utilisant le programme de simulation hybride développé par le National Institute for Fusion Science, la précision de prédiction de la distribution des particules alpha à haute énergie dans le plasma du cœur du réacteur à fusion s'est considérablement améliorée. Cela contribuera à l'élaboration d'un scénario d'exploitation et d'une conception hautement fiables des réacteurs à fusion, et pourrait accélérer la réalisation d'un réacteur à fusion. En outre, le travail contribue à la compréhension des interactions des particules de haute énergie et des oscillations. Alors que les oscillations du plasma provoquent la perte de particules à haute énergie qui chauffent le plasma, les oscillations, en fournissant au plasma l'énergie reçue des particules de haute énergie, à l'inverse, chauffer le plasma.
