Simulation de turbulence plasma générant des contraintes résiduelles positives (rouge) et négatives (bleues) qui entraînent un cisaillement de rotation. (encart) Comparaison entre le profil de rotation mesuré et simulé. Crédit :W. X. Wang
Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) et de General Atomics ont simulé un mystérieux flux auto-organisé du plasma super chaud qui alimente les réactions de fusion. Les résultats montrent que pomper plus de chaleur dans le cœur du plasma peut entraîner des instabilités qui créent une rotation du plasma à l'intérieur du tokamak en forme de beignet qui abrite le gaz chargé chaud. Cette rotation peut être utilisée pour améliorer la stabilité et les performances des dispositifs de fusion.
Les résultats, rapporté en janvier dans le journal Lettres d'examen physique , utiliser les premières simulations de turbulence de plasma basées sur des principes d'expériences réalisées sur l'installation de fusion nationale DIII-D que General Atomics exploite pour le DOE à San Diego. Les résultats pourraient conduire à un meilleur contrôle des réactions de fusion dans ITER, l'expérience internationale en construction en France pour démontrer la faisabilité de la fusion. Le soutien à cette recherche provient du DOE Office of Science avec des simulations effectuées au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory.
Faisceaux à haute énergie
Pour améliorer la stabilité et le confinement du plasma, un gaz composé d'électrons et d'ions que l'on appelle souvent le quatrième état de la matière, les physiciens ont traditionnellement injecté des faisceaux à haute énergie d'atomes neutres. Ces faisceaux énergétiques font tourner le cœur et la région externe du plasma à des vitesses différentes, créer un écoulement cisaillé, ou rotation, qui améliore la stabilité et le confinement. Un mystère persistant est de savoir comment le plasma génère parfois son propre flux cisaillé, spontanément.
La nouvelle recherche, dirigé par les physiciens du PPPL Brian Grierson et Weixing Wang, montre qu'un échauffement suffisant du coeur du plasma génère un type particulier de turbulence qui produit un couple intrinsèque, ou force de torsion, qui amène le plasma à générer son propre écoulement cisaillé. Les résultats sont pertinents pour les grands, futurs réacteurs, puisque l'injection de faisceau neutre ne créera qu'une rotation limitée dans les énormes plasmas à l'intérieur de ces installations.
Plasmas auto-organisés
La recherche collaborative menée par PPPL et les scientifiques de General Atomics a révélé que les plasmas peuvent s'organiser pour produire une rotation cisaillée lorsque la chaleur est ajoutée de la bonne manière. Le processus fonctionne comme ceci :
Les chercheurs ont utilisé le code GTS pour simuler la physique du transport turbulent du plasma en modélisant le comportement des particules de plasma lorsqu'elles circulaient autour des champs magnétiques. La simulation a prédit le profil de rotation en modélisant le couple intrinsèque de la turbulence et la diffusion de sa quantité de mouvement. La rotation prévue concordait assez bien, en forme et en ampleur, avec la rotation observée dans les expériences DIII-D.
Un prochain défi clé sera d'extrapoler les processus pour ITER. Une telle modélisation nécessitera des simulations massives qui repousseront les limites des supercalculateurs hautes performances actuellement disponibles. "Avec des expériences minutieuses et des simulations détaillées de la physique fondamentale, nous commençons à comprendre comment le plasma crée sa propre rotation cisaillée, " a déclaré Grierson. " Il s'agit d'une étape clé sur la voie de l'optimisation du flux de plasma pour rendre les plasmas de fusion plus stables, et fonctionnent avec une grande efficacité."
