Des physiciens du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont aidé à développer un nouveau modèle informatique de stabilité du plasma dans des machines de fusion en forme de beignet connues sous le nom de tokamaks. Le nouveau modèle intègre les découvertes récentes recueillies à partir d'efforts de recherche connexes et simplifie la physique impliquée afin que les ordinateurs puissent traiter le programme plus rapidement. Le modèle pourrait aider les scientifiques à prédire quand un plasma pourrait devenir instable, puis à éviter les conditions sous-jacentes.

Cette recherche a été rapportée dans un article publié dans Physique des plasmas en février 2017, et a reçu un financement du Bureau des sciences du DOE (Fusion Energy Sciences).

Le code de stabilité du plasma a été écrit en partie par Jack Berkery, chercheur au Département de physique appliquée et de mathématiques appliquées de l'Université de Columbia, associé au PPPL depuis près de 10 ans. Il travaille sur ce projet avec Steve Sabbagh, un chercheur principal et professeur adjoint de physique appliquée à Columbia qui a collaboré avec PPPL pendant près de trois décennies. Berkery et Sabbagh font tous deux partie du groupe Columbia chez PPPL.

La nouvelle recherche est la dernière des efforts combinés des physiciens pour développer un programme informatique de stabilisation du plasma plus grand et plus performant, connu sous le nom de code DECAF (Disruption Event Characterization and Forecasting), qui prédit et aide à éviter les perturbations.

Au sein des plasmas de tokamak, de nombreuses forces s'équilibrent pour créer un équilibre stable. L'une des forces est une pression croissante créée par les propriétés intrinsèques du plasma, une soupe de particules chargées électriquement. Une autre force est produite par des aimants qui confinent le plasma, l'empêchant de toucher les parois internes du tokamak et de se refroidir.

Les physiciens et ingénieurs du plasma veulent que le plasma soit sous la plus grande pression magnétique possible, car une pression élevée signifie que les particules de plasma interagissent plus fréquemment, augmentant à la fois les chances que des réactions de fusion se produisent et la quantité de chaleur produite par le tokamak. Des recherches antérieures de Berkery et Sabbagh sur des machines, y compris la mise à niveau de l'expérience nationale sur le tore sphérique (NSTX-U) au PPPL, ont montré qu'une pression plasmatique élevée peut être contenue de manière stable si d'autres propriétés du plasma, comme la façon dont il tourne, ont des caractéristiques particulières.

"Idéalement, vous souhaitez faire fonctionner des tokamaks à haute pression car pour obtenir de bonnes performances de fusion, vous voulez avoir la pression la plus élevée possible, " Berkery continua. " Malheureusement, quand tu fais ça, des instabilités peuvent survenir. Donc, si vous pouvez trouver un moyen de stabiliser le plasma, alors vous pouvez faire fonctionner votre tokamak à une pression plus élevée."

Le programme mis à jour a été écrit pour prédire les conditions qui contiendraient le mieux le plasma haute pression. Le programme, bien que, n'est qu'une composante du code DECAF, qui comprend de nombreux modules qui surveillent chacun différents aspects d'un plasma dans le but de déterminer quand le plasma devient instable. "Pendant des années, nous avons étudié quelles conditions conduisent à l'instabilité et comment nous pouvons essayer d'éviter ces conditions, " a déclaré Berkery.

Le code rassemble des informations qui incluent la densité du plasma, Température, et la forme de la rotation du plasma. Il calcule ensuite quelles combinaisons de ces conditions produisent un plasma stable, découvrir simultanément quelles combinaisons de conditions produisent un plasma instable. Le nouveau code recherche spécifiquement les signes d'un état instable venant en sens inverse connu sous le nom de mode mur résistif. Un plasma entre dans cet état lorsque les forces provoquant l'expansion du plasma sont plus fortes que les forces confinant le plasma. Les champs magnétiques intrinsèques du plasma s'étendent alors vers l'extérieur et frappent l'intérieur des parois du tokamak.