Dans une expérience de fusion, où les scientifiques étudient les réactions au cœur de notre soleil, les perturbations - instabilités à grande échelle du plasma - provoquent une perte rapide et complète du confinement magnétique. Les modèles de plasmas de fusion combinent désormais des méthodes numériques avancées avec des capacités de calcul haute performance. Le résultat? Les scientifiques peuvent explorer les causes et la dynamique des perturbations avec des détails sans précédent.

Les perturbations constituent l'un des défis les plus importants pour la conception d'un réacteur à fusion. Lors de ces événements, les courants électriques se produisant dans les parois créent des forces importantes qui peuvent endommager les parois de la cuve du tokamak. Maintenant, les scientifiques peuvent modéliser ces courants dans une géométrie entièrement tridimensionnelle, avec des paramètres plasma réalistes. Les résultats peuvent conduire à des stratégies qui évitent et atténuent les perturbations dans les futurs dispositifs de la taille d'un réacteur.

Le tokamak est une conception efficace pour confiner des plasmas surchauffés avec des champs magnétiques car une grande partie du champ magnétique est produite par des courants électriques dans le plasma. Cet avantage peut devenir un handicap, parce que les perturbations du courant plasma peuvent réduire le champ magnétique dans un cycle d'auto-renforcement, provoquant une perte rapide de confinement. De plus, ces perturbations imposent de fortes forces électromagnétiques et des charges thermiques, posant un défi majeur au bon fonctionnement d'un réacteur tokamak.

Les chercheurs réalisent désormais des simulations entièrement tridimensionnelles des instabilités à grande échelle dans les tokamaks NSTX et DIII-D. Ces simulations utilisent le code M3D-C1, qui modélise le plasma comme un fluide électriquement conducteur. Les nouvelles capacités haute fidélité du code montrent les courants électriques « de halo » qui peuvent entraîner des perturbations circulant dans et à travers les parois du tokamak. Et d'autres simulations d'événements de déplacement vertical, qui provoquent ou accompagnent souvent des perturbations, montrent que de violentes instabilités secondaires peuvent se développer lorsque le plasma est poussé contre la paroi du vaisseau.

Ces instabilités secondaires conduisent généralement à une distribution tridimensionnelle du courant de halo, qui se compose de composants symétriques et asymétriques. Les courants asymétriques peuvent produire des forces particulièrement dommageables pour le navire tokamak. Heureusement, dans ces simulations la composante asymétrique reste localisée et fortement sous-dominante à la composante symétrique, même dans les cas qui présentent une instabilité secondaire fortement croissante. Les simulations montrent également que le refroidissement du plasma avant ou pendant l'événement de déplacement vertical peut encore supprimer les instabilités qui conduisent à un courant asymétrique. Les travaux futurs modéliseront les perturbations initiées par d'autres instabilités dans lesquelles la composante asymétrique des courants de halo devrait être plus importante.