La physicienne Angela Capece se tient devant une chambre à ultravide qu'elle a utilisée pour ses recherches. Crédit :Elle Starkman
Tout le monde sait que le jeu de billard implique des boules qui glissent sur les côtés d'une table de billard, mais peu de gens savent peut-être que le même principe s'applique aux réactions de fusion. La façon dont les particules chargées comme les électrons et les noyaux atomiques qui composent le plasma interagissent avec les parois des dispositifs en forme de beignet appelés tokamaks aide à déterminer l'efficacité des réactions de fusion. Spécifiquement, dans un phénomène connu sous le nom d'émission d'électrons secondaires (SEE), les électrons frappent la surface du mur, provoquant l'émission d'autres électrons. Ces électrons secondaires refroidissent le bord du plasma et atténuent les performances globales du plasma.
Les scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) étudient SEE depuis des décennies, et au cours de la dernière année ont fait des progrès importants qui améliorent leur compréhension. Plus récemment, deux des physiciennes—Marlene Patino, un étudiant diplômé de l'Université de Californie, Los Angeles, et Angela Capece, professeur au College of New Jersey—ont concentré leurs efforts sur la recherche de la façon dont SEE est affecté par différents matériaux et structures de murs.
Comprendre SEE est crucial car le comportement des électrons secondaires pourrait affecter les performances des futures machines à fusion. "Lorsque les pertes de chaleur deviennent importantes, la machine à fusion est moins capable de produire de l'énergie, ", a déclaré Capece.
Dans sa recherche SEE, Capece a étudié comment les électrons interagissaient avec le lithium, un matériau de paroi qui pourrait améliorer la capacité des tokamaks à confiner le plasma. D'autres scientifiques intéressés par le lithium ont créé des modèles informatiques qui simulent comment le lithium interagit avec les électrons du plasma, mais ces modèles n'ont pas pris en compte la facilité avec laquelle le lithium se lie avec d'autres oligo-éléments dans le plasma, comme l'oxygène, pour former de nouvelles molécules comme l'oxyde de lithium. Ces nouvelles molécules interagissent avec les électrons différemment du lithium pur.
La physicienne Angela Capece travaille avec une chambre à ultravide dans le laboratoire de science et technologie des surfaces de PPPL. Crédit :Elle Starkman
Spécifiquement, lorsque des électrons heurtent de l'oxyde de lithium sur une paroi de tokamak, beaucoup plus d'électrons secondaires sont libérés dans le plasma que pour les matériaux de paroi sans lithium comme le tungstène et le carbone. Si un tokamak a un revêtement en graphite, un électron le frappant avec une quantité particulière d'énergie peut produire un électron secondaire. D'autre part, si un électron de même énergie heurte un revêtement en oxyde de lithium, de un à trois électrons secondaires pourraient en résulter.
Cet écart est crucial. "Lors de l'incorporation de SEE dans des modèles d'appareils de fusion, il est important de prendre en compte la réactivité du lithium et qu'il va former de l'oxyde de lithium dans un environnement tokamak, ", a déclaré Capece.
Capece a finalement découvert que, en général, il devient plus facile pour un électron de libérer un électron secondaire lorsque la teneur en oxygène des revêtements de lithium augmente. Ses recherches ont quantifié exactement comment la quantité d'oxygène lié au lithium dans la paroi modifie la quantité d'électrons secondaires pouvant pénétrer dans le plasma. Alors qu'un rendement SEE accru pourrait augmenter les pertes de chaleur, de nombreuses variables au bord du plasma pourraient modifier l'impact.
Étudiante diplômée Marlene Patino au Laboratoire de propulsion plasma et spatiale de l'UCLA. Crédit :César Huerta
Patino a étudié SEE sous un angle différent. Elle a fait des recherches sur de minuscules structures, connu sous le nom de "fuzz, " qui se forment sur les revêtements de tungstène lorsqu'ils ont été bombardés par des noyaux d'hélium. Elle a observé que par rapport au tungstène lisse, le tungstène avec duvet peut réduire la SEE de 40 à 60 %. Ces résultats étaient significatifs car les études des chercheurs antérieurs portaient sur des microstructures manufacturées, tandis que dans cette étude, le duvet de tungstène s'est développé tout seul. De plus, contrairement aux structures manufacturées, la réduction de SEE ne dépend pas de l'angle auquel les électrons se rapprochent de la paroi, à la fois parce que les électrons secondaires sont piégés par le fuzz et que les fibres du fuzz sont réparties de manière aléatoire. "Cette absence de dépendance à l'angle d'incidence est importante pour les parois des machines à plasma car les électrons impacteront les parois à de grands angles obliques, " a déclaré Patin.
Son travail a été publié dans le numéro de novembre 2016 de Lettres de physique appliquée . Capece's a été publié dans le numéro de juillet 2016 de la même revue. Leurs recherches ont été financées par le Bureau des sciences du DOE (Fusion Energy Sciences). Le travail de Patino a également reçu un financement de l'Air Force Office of Scientific Research (AFOSR).
SEE a d'abord attiré l'attention des scientifiques du PPPL à la fois par l'expérimentation et la recherche théorique sur les propulseurs à plasma, dispositifs qui pourraient un jour propulser des engins spatiaux vers des objets cosmiques distants. "Les chercheurs de PPPL ont eu l'idée d'utiliser des matériaux à architecture de surface tels que le velours de carbone pour supprimer la SEE et ainsi améliorer les performances et la longévité des propulseurs à plasma, " a déclaré Yevgeny Raitses, un physicien de recherche principal au PPPL et chercheur principal sur les projets Patino et Capece.
