Turbulence, la perturbation violemment indisciplinée du plasma, peut empêcher le plasma de devenir suffisamment chaud pour alimenter les réactions de fusion. L'impact sur la turbulence des atomes recyclés des parois des tokamaks qui confinent le plasma a longtemps été une préoccupation déconcertante des chercheurs. Ces atomes sont neutres, c'est-à-dire qu'ils n'ont pas de charge et ne sont donc pas affectés par le champ magnétique du tokamak ou la turbulence du plasma, contrairement aux électrons et aux ions - ou noyaux atomiques - dans le plasma. Encore, des expériences ont suggéré que les atomes neutres peuvent augmenter de manière significative la turbulence du plasma de bord, d'où l'intérêt théorique de leurs effets.

Dans la première tentative de physique fondamentale pour étudier l'impact des atomes, des physiciens du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont modélisé la façon dont les neutres recyclés, qui surviennent lorsque du plasma chaud frappe les parois d'un tokamak, augmenter la turbulence entraînée par ce qu'on appelle le "gradient de température ionique" (ITG). Ce gradient est présent au bord d'un plasma de fusion dans les tokamaks et représente la transition du cœur chaud du plasma à la frontière plus froide adjacente aux surfaces matérielles environnantes.

Code informatique à grande échelle

Les chercheurs ont utilisé le code cinétique XGC1 à échelle extrême pour réaliser la simulation, qui a représenté la première étape dans l'exploration des conditions globales créées par les neutres recyclés. « La simulation de la turbulence du plasma dans la région périphérique est assez difficile, " a déclaré le physicien Daren Stotler. " Le développement du code XGC1 nous a permis d'incorporer la physique des particules neutres de base dans les calculs informatiques cinétiques, en multi-échelle, avec des turbulences microscopiques et une dynamique de fond macroscopique, " a-t-il dit. "Ce n'était pas possible auparavant."

Les résultats, rapporté dans le journal La fusion nucléaire en juillet, ont montré que les atomes neutres améliorent la turbulence ITG de deux manières :

• D'abord, ils refroidissent le plasma dans le piédestal, ou barrière de transport, au bord du plasma et augmenter ainsi le gradient d'ITG.
• Prochain, ils réduisent le cisaillement, ou différent, taux de rotation du plasma. La rotation cisaillée réduit les turbulences et aide à stabiliser les plasmas de fusion.

Comparaison avec des expériences

Aller de l'avant, les chercheurs prévoient de comparer les résultats de leur modèle avec des observations expérimentales, une tâche qui nécessitera des simulations plus complètes incluant d'autres modes de turbulence. Les résultats pourraient conduire à une meilleure compréhension de la transition des plasmas d'un confinement faible à un confinement élevé, ou mode H—le mode dans lequel les futurs tokamaks devraient fonctionner. Les chercheurs considèrent généralement un recyclage plus faible, et donc moins de neutres, comme propice au fonctionnement en mode H. Ce travail peut également conduire à une meilleure compréhension des performances du plasma dans ITER, l'installation de fusion internationale en construction en France, dans lequel le recyclage neutre peut différer de celui observé dans les tokamaks existants.