"Mesure deux fois, couper une fois" est un vieux proverbe de menuisier - un rappel qu'une planification minutieuse peut économiser du temps et des matériaux à long terme.

Le concept s'applique également à la conception de stellarators, qui sont des expériences de fusion nucléaire complexes destinées à explorer le potentiel de la fusion en tant que source d'énergie. Les Stellarators fonctionnent en confinant un anneau de plasma brûlant à l'intérieur d'un champ magnétique de forme précise généré par des bobines électromagnétiques externes. Lorsque le plasma atteint plusieurs millions de degrés - aussi chaud que l'intérieur du soleil - les noyaux atomiques commencent à fusionner, libérant des quantités massives d'énergie.

Avant de tourner un seul boulon pour construire l'un de ces appareils rares et coûteux, les ingénieurs créent des plans précis à l'aide d'une série d'algorithmes. Cependant, une grande variété de formes de bobines peuvent toutes générer le même champ magnétique, ajouter des niveaux de complexité au processus de conception. Jusqu'à maintenant, peu de chercheurs ont étudié comment choisir la meilleure parmi toutes les formes de bobines potentielles pour un stellarator spécifique.

Le physicien de l'Université du Maryland, Matt Landreman, a apporté une révision importante à l'un des outils logiciels les plus couramment utilisés pour concevoir des stellarators. La nouvelle méthode est meilleure pour équilibrer les compromis entre la forme idéale du champ magnétique et les formes potentielles de la bobine, résultant en des conceptions avec plus d'espace entre les bobines. Cet espace supplémentaire permet un meilleur accès pour les réparations et plus d'endroits pour installer des capteurs. La nouvelle méthode de Landreman est décrite dans un article publié le 13 février 2017 dans la revue La fusion nucléaire .

"Au lieu d'optimiser uniquement la forme du champ magnétique, cette nouvelle méthode considère la complexité des formes de bobines simultanément. Il y a donc un petit compromis, " dit Landreman, chercheur adjoint à l'Institut de recherche en électronique et physique appliquée (IREAP) de l'UMD et seul auteur du document de recherche. "C'est un peu comme acheter une voiture. Vous voudrez peut-être la voiture la moins chère, mais vous voulez aussi la voiture la plus sûre. Les deux caractéristiques peuvent être en contradiction l'une avec l'autre, il faut donc trouver un moyen de se rencontrer au milieu."

Les chercheurs ont utilisé la méthode précédente, appelé le solveur Neumann pour les champs produits par des bobines externes (NESCOIL) et décrit pour la première fois en 1987, pour concevoir de nombreux stellarators en service aujourd'hui, y compris le Wendelstein 7-X (W7-X). Le plus grand stellarator existant, W7-X a commencé à fonctionner en 2015 à l'Institut Max Planck de physique des plasmas en Allemagne.

"La plupart des conceptions, dont W7-X, a commencé avec un champ magnétique spécialement formé pour confiner le plasma bien. Ensuite, les concepteurs ont façonné les bobines pour créer ce champ magnétique, " Landreman a expliqué. " Mais cette méthode nécessitait généralement beaucoup d'essais et d'erreurs avec les outils de conception de bobines pour éviter que les bobines ne se rapprochent trop, les rendant impossibles à construire, ou en laissant trop peu d'espace pour accéder à la chambre à plasma pour la maintenance."

la nouvelle méthode de Landreman, qu'il appelle NESCOIL régularisé - ou REGCOIL en abrégé - contourne ce problème en s'attaquant au problème de l'espacement des bobines de la conception du stellarator en tandem avec la mise en forme du champ magnétique lui-même. Le résultat, Landreman a dit, est un rapide, processus plus robuste qui donne de meilleures formes de bobines du premier coup.

Les tests de modélisation effectués par Landreman suggèrent que les conceptions produites par REGCOIL confinent le plasma chaud dans une forme souhaitable, tout en augmentant considérablement les distances minimales entre les bobines.

"En mathématiques, nous appellerions la conception de la bobine stellarator un "problème mal posé, ' ce qui signifie qu'il y a beaucoup de solutions potentielles. Trouver la meilleure solution dépend fortement de poser le problème de la bonne manière, " Landreman a déclaré. "REGCOIL fait exactement cela en simplifiant les formes de bobines de manière à ce que le problème puisse être résolu très efficacement."

Le développement de la fusion nucléaire en tant que source d'énergie viable reste loin dans l'avenir. Mais des innovations telles que la nouvelle méthode de Landreman aideront à réduire les investissements en temps et en coûts nécessaires à la construction de nouveaux stellarators pour la recherche et, éventuellement, la pratique, applications génératrices d'énergie.

"Ce domaine est encore au stade de la recherche fondamentale, et chaque nouveau design est totalement unique, " Landreman a dit. "Avec ces caractéristiques incompatibles à équilibrer, il y aura toujours différents points où vous pourrez décider de trouver un compromis. La méthode REGCOIL permet aux ingénieurs d'examiner et de modéliser de nombreux points différents le long de ce spectre."

Le document de recherche, "Une méthode de potentiel de courant améliorée pour un calcul rapide des formes de bobines de stellarator, " Matt Landreman, a été publié le 13 février 2017 dans la revue La fusion nucléaire .