Des physiciens du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont simulé la transition spontanée de la turbulence au bord d'un plasma de fusion vers le mode de confinement élevé (mode H) qui soutient les réactions de fusion. La simulation détaillée est la première physique de base, ou basé sur les premiers principes, modélisation avec peu d'hypothèses simplificatrices.

La recherche a été réalisée avec le code de turbulence de plasma à échelle extrême XGC développé au PPPL en collaboration avec une équipe nationale. Les résultats fournissent la base physique pour le bon fonctionnement des tokamaks actuels et futurs qui produiront des réactions de fusion puissantes et économiques.

Cette simulation massivement parallèle, qui révèle la physique derrière la transition, utilisé la plus grande partie de la puissance d'un supercalculateur. Le code XGC a fonctionné pendant trois jours et a pris 90 pour cent de la capacité de Titan à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), qui est le supercalculateur le plus puissant du pays pour la science ouverte et capable d'effectuer jusqu'à 27 millions de milliards (1015) d'opérations par seconde.

"Après 35 ans, la physique fondamentale de la bifurcation de la turbulence en mode H est maintenant simulée, grâce au développement rapide des capacités matérielles et logicielles de calcul, " a déclaré C.S. Chang, premier auteur de l'Avril Lettres d'examen physique papier [118, 175001 (2017)] qui ont rapporté les résultats. Les co-auteurs comprenaient une équipe de PPPL, l'Université de Californie, San Diego, et le MIT Plasma Science and Fusion Center. Seung-Hoe Ku de PPPL a effectué la simulation.

A titre d'exemple d'utilisation du modèle, le cœur du plasma à l'intérieur du tokamak ITER à sept étages, l'expérience internationale de fusion en construction en France, devra être plus de 10 fois plus chaud que le noyau du soleil, dont la température est de 15 millions de degrés Celsius. Pourtant, le bord du plasma, situé à environ 2 mètres, sera 1, 000 fois plus frais, avec la plus grande partie de la température tombant sur une pente radiale dont la largeur ne représente que quelques pour cent de la taille totale du plasma.

En 1982, Des chercheurs allemands ont découvert que le bord du plasma peut se bifurquer spontanément en un piédestal élevé avec un gradient raide, ou barrière de transport, qui produit le confinement en mode H et maintient la chaleur du cœur du plasma. Cette bifurcation a lieu lorsque la puissance calorifique du tokamak est élevée au-dessus d'un niveau critique.

La création de la barrière de transport se produit presque instantanément. L'accumulation résulte de la suppression de la turbulence de bord, qui passe de haute à basse amplitude en moins d'un dixième de milliseconde. Le casse-tête qui déconcerte les physiciens depuis plus de trois décennies est la cause de cette transition.

Les chercheurs ont longtemps soutenu deux histoires contradictoires, sur la base de modèles réduits et de divers degrés d'hypothèses simplificatrices, qui découlent de la complexité du bord plasma et du manque de puissance de calcul. Une école propose que la transformation provienne d'un flux cisaillé généré par la turbulence de plasma de bord généré par un processus appelé « contrainte de Reynolds ». À l'opposé de cette vue se trouve une école qui attribue la bifurcation à un écoulement cisaillé non turbulent.

Le code d'échelle extrême PPPL indique que les deux histoires sont en partie correctes. La simulation révèle que la bifurcation résulte de la relation synergique entre l'écoulement cisaillé généré par la contrainte de Reynolds et l'écoulement cisaillé généré non turbulent, qui est techniquement connu sous le nom de flux "à perte d'orbite du point X" et "néoclassique". En bref, dit le journal, "l'argument expérimental basé sur le mécanisme de perte d'orbite... et l'argument de contrainte conventionnel de Reynolds fonctionnent ensemble."

Pour ITER et autres machines de nouvelle génération, la bifurcation vers le mode H pourrait nécessiter une augmentation de la puissance de chauffage si l'écoulement cisaillé non turbulent s'avérait plus faible que ne l'exigent les tokamaks actuels. L'inverse est également vrai :si l'écoulement cisaillé non turbulent s'avère plus fort que prévu actuellement pour ITER, moins de puissance de chauffage peut être nécessaire pour réaliser la transformation cruciale en mode H.