Comme un potier façonnant l'argile en tournant sur une roue, les physiciens utilisent des champs magnétiques et de puissants faisceaux de particules pour contrôler et façonner le plasma lorsqu'il se tord et tourne à travers un dispositif de fusion. Aujourd'hui, un physicien a créé un nouveau système qui permettra aux scientifiques de contrôler l'énergie et la rotation du plasma en temps réel dans une machine en forme de beignet connue sous le nom de tokamak.

« Lors de la conception de machines à fusion, il devient de plus en plus important d'utiliser des systèmes de contrôle et des techniques de modélisation tirés du monde de l'ingénierie aéronautique, " dit Imène Goumiri, le scientifique qui a dirigé les travaux. « Ce qui est nouveau, c'est que ces outils ont maintenant été appliqués aux problèmes de physique des plasmas ; c'est ce qui rend cette recherche unique. » Goumiri était un doctorant de l'Université de Princeton qui a mené des recherches au Laboratoire de physique des plasmas (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et est maintenant physicien à l'Université du Wisconsin-Madison.

le système de Goumiri, connu sous le nom de contrôleur de rétroaction, comprend des capteurs dans le tokamak qui sont liés à un algorithme informatique qui interprète les données recueillies par les capteurs. L'algorithme actionne six faisceaux de particules neutres qui chauffent et font tourner le plasma à l'intérieur du tokamak et actionne six bobines magnétiques rectangulaires situées autour de l'extérieur de la machine. "C'est la première fois que ces deux actionneurs sont utilisés ensemble pour contrôler le profil de rotation du plasma, " a déclaré Steven Sabbagh, chercheur principal et professeur adjoint de physique appliquée à l'Université Columbia qui a collaboré avec PPPL pendant 27 ans et a été l'un des co-auteurs de l'article.

En contrôlant la rotation, les physiciens peuvent empêcher les instabilités de dégrader le champ magnétique et de permettre au plasma de se dissiper, arrêter les réactions de fusion.

Les chercheurs ont conçu l'algorithme pour la mise à niveau de l'expérience nationale du tore sphérique (NSTX-U), qui a un système de faisceau neutre amélioré qui affecte la rotation du plasma en entrant en collision avec les particules chargées du plasma et en transférant la quantité de mouvement. Le système a deux émetteurs avec trois sources de faisceau neutre chacun. Un émetteur cible le cœur du plasma tandis que l'autre cible le bord pour exercer un effet de levier sur le plasma dans son ensemble. Un système d'aimant flexible permet aux physiciens de mieux contrôler la distribution de la rotation du plasma. En général, l'algorithme utilise les bobines magnétiques et les émetteurs de faisceau neutre dans différentes combinaisons pour changer la façon dont les différentes régions du plasma tournent.

L'algorithme équilibre également les effets des aimants et des faisceaux neutres pour s'assurer que le plasma global ne bascule pas grossièrement d'une vitesse à une autre. L'objectif est d'obtenir une quantité particulière de chaleur du plasma, ou de l'énergie stockée, ainsi que la rotation souhaitée du plasma, une innovation qui manquait à une version antérieure de l'algorithme.

Goumiri et l'équipe ont testé le nouvel algorithme du contrôleur sur un tokamak simulé créé par le code informatique TRANSP, un programme conçu par PPPL utilisé dans la recherche sur la fusion magnétique à travers le monde. Le test a montré que l'algorithme pouvait modifier avec succès à la fois le profil de rotation du plasma et l'énergie stockée de manière à augmenter la stabilité du plasma.

À l'avenir, Goumiri espère tester son algorithme de contrôleur sur NSTX-U. Une fois en fonctionnement, les leçons que les physiciens tirent de l'utilisation de l'algorithme pourraient influencer la conception des futurs réacteurs à fusion. De tels réacteurs auront plus d'un algorithme pour contrôler la rotation du plasma, courant électrique, et la forme du plasma. Les recherches futures devront se concentrer sur la façon dont tous les contrôleurs fonctionnent ensemble et pour concevoir un système global qui permettra aux contrôleurs de fonctionner harmonieusement.

Cette recherche a été publiée en février 2017 dans la version en ligne de Physique des plasmas et a été financé par le Bureau des sciences du DOE (Fusion Energy Sciences).