Puissance de fusion, qui éclaire le soleil et les étoiles, nécessite des températures de millions de degrés pour fusionner les particules à l'intérieur du plasma, une soupe de gaz chargé qui alimente les réactions de fusion. Ici sur Terre, scientifiques développant la fusion comme un coffre-fort, source d'énergie propre et abondante doit produire des températures plus chaudes que le noyau du soleil dans des installations en forme de beignet appelées tokamaks. Une grande partie de la puissance nécessaire pour atteindre ces températures provient de faisceaux à haute énergie que les physiciens pompent dans le plasma grâce à des dispositifs appelés injecteurs de faisceau neutre.

Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les ingénieurs ont récemment conçu et livré un ensemble de nouveaux composants innovants pour les injecteurs à faisceau neutre qui chauffent le plasma dans l'installation de fusion nationale DIII-D, le tokamak que General Atomics exploite pour le DOE à San Diego.

Les pièces repensées, appelés boucliers polaires, protéger les aimants des injecteurs des particules énergétiques du faisceau et remplacera les unités qui ont fondu et se sont fissurées lors des précédentes expériences de fusion, entraînant des fuites d'eau. Les aimants redirigent les noyaux atomiques chargés, ou des ions, dans les faisceaux vers une décharge d'ions à l'intérieur des injecteurs, permettant seulement aux atomes neutres d'entrer dans le plasma.

"Ils avaient un problème qui devait être réglé. En fin de compte, nous avons trouvé une solution qui a résolu le problème, " a déclaré l'ingénieur PPPL Irving Zatz, qui a supervisé la conception, analyse et livraison des boucliers. Il a fait équipe avec les ingénieurs Andrei Khodak, qui a effectué des analyses informatiques pour vérifier le nouveau design, et Alex Nagy, qui dirige les collaborations d'ingénierie PPPL sur DIII-D. Le soutien pour ce travail provient du Bureau des sciences de l'énergie de fusion du DOE.

Les nouvelles unités sont similaires aux boucliers que PPPL a livrés à DIII-D pour l'installation sur le premier des quatre injecteurs de l'installation en 2014. Après des mois d'utilisation de ces boucliers, "les résultats de l'inspection n'ont montré aucun signe d'usure ou de dommage, " a déclaré Nagy.

Résiste à des charges thermiques plus élevées

La nouvelle conception résistera aux charges thermiques fortement accrues que les injecteurs sont censés produire. Les plans prévoient une mise à niveau de la puissance maximale de l'injecteur de 2,6 mégawatts en impulsions de trois secondes à 3,2 mégawatts en impulsions qui dureront deux fois plus longtemps.

Les nouveaux boucliers se composent d'un demi-pouce d'épaisseur, des plaques de cuivre d'environ cinq pieds de long équipées d'inserts en dur, métal molybdène argenté au centre des plaques, la zone qui absorbera le plus d'énergie du faisceau. Les inserts, qui résistent à la fusion à haute température, sont une innovation de conception clé proposée à l'origine par Tim Scoville de General Atomics, le chef des opérations faisceau neutre à DIII-D.

Chaque nouveau bouclier contient 10 plaques de molybdène qui sont rainurées ensemble comme un puzzle, avec une clé en cuivre qui les maintient en place. Cette configuration s'adaptera à différents degrés de dilatation thermique et à d'autres conditions, et permettra de démonter et de remplacer facilement les dalles en molybdène, sans démontage de l'injecteur.

Khodak a utilisé un code logiciel pour examiner comment les boucliers ont résisté à des facteurs allant de la répartition des charges thermiques aux contraintes dans le cuivre et le molybdène qu'une plus grande puissance exercera. Les résultats ont montré que la conception satisfaisait ou dépassait toutes les exigences de performance.

"L'original, les plaques tout en cuivre tombent généralement en panne après environ cinq ans de service, " Nagy a dit. " La durée de vie de la nouvelle conception du bouclier polaire est inconnue, mais devrait augmenter considérablement le temps de défaillance de ce composant critique. La différence entre l'ancien et le nouveau blindage revient à comparer d'anciens pneus à carcasse diagonale à de nouveaux pneus radiaux ceinturés d'acier."

Les blindages de pôle ne sont pas les seules pièces que PPPL met à niveau sur les injecteurs à faisceau neutre DIII-D. Le laboratoire a conçu de nouveaux collimateurs, qui alignent les neutres en faisceaux parallèles, et calorimètres, qui mesurent la chaleur, pour les machines. La fabrication est en cours et la livraison des composantes est prévue à l'automne.

PPPL, sur le campus Forrestal de l'Université de Princeton à Plainsboro, NEW JERSEY., se consacre à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas - ultra-chaud, gaz chargés et au développement de solutions pratiques pour la création d'énergie de fusion. Le laboratoire est géré par l'Université pour l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis, qui est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis, et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, veuillez visiter science.energy.gov.