Dans la quête de l'énergie de fusion, les scientifiques ont passé des décennies à expérimenter des moyens de rendre le combustible plasma suffisamment chaud et dense pour générer une puissance de fusion significative. Au MIT, les chercheurs ont concentré leur attention sur l'utilisation du chauffage par radiofréquence (RF) dans des expériences de fusion par confinement magnétique comme le tokamak Alcator C-Mod, qui a terminé son dernier essai en septembre 2016.

Maintenant, en utilisant les données des expériences C-Mod, chercheurs en fusion au Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT, avec des collègues en Belgique et au Royaume-Uni, ont créé une nouvelle méthode de chauffage des plasmas de fusion dans les tokamaks. La nouvelle méthode a permis d'élever des traces d'ions à des énergies de mégaélectronvolts (MeV), un ordre de grandeur supérieur à celui atteint auparavant.

"Ces plages d'énergie plus élevées sont dans la même plage que les produits de fusion activés, " Le chercheur scientifique du PSFC, John C. Wright, explique. " Pouvoir créer de tels ions énergétiques dans un dispositif non activé - ne faisant pas une énorme quantité de fusion - est bénéfique, parce que nous pouvons étudier comment les ions avec des énergies comparables aux produits de réaction de fusion se comportent, à quel point ils seraient confinés."

La nouvelle approche, récemment détaillé dans le journal Physique de la nature , utilise un carburant composé de trois espèces d'ions :l'hydrogène, deutérium, et des traces (moins de 1 pour cent) d'hélium-3. Typiquement, le plasma utilisé pour la recherche sur la fusion en laboratoire serait composé de deux espèces d'ions, deutérium et hydrogène ou deutérium et He-3, le deutérium dominant le mélange jusqu'à 95 pour cent. Les chercheurs concentrent leur énergie sur les espèces minoritaires, qui chauffe à des énergies beaucoup plus élevées en raison de sa plus petite fraction de la densité totale. Dans le nouveau schéma à trois espèces, toute l'énergie RF est absorbée par une infime quantité de He-3 et l'énergie ionique est encore augmentée, jusqu'à la gamme des produits de fusion activés.

Wright a été inspiré pour poursuivre cette recherche après avoir assisté à une conférence en 2015 sur ce scénario par Yevgen Kazakov, chercheur au Laboratoire de Physique des Plasma à Bruxelles, La Belgique, et l'auteur principal de l'article de Nature Physics. Wright a suggéré que le MIT teste ces idées en utilisant Alcator C-Mod, avec Kazakov et son collègue Jef Ongena collaborant de Bruxelles.

Au MIT, Le chercheur scientifique du PSFC, Stephen Wukitch, a aidé à développer le scénario et à mener l'expérience, tandis que le professeur Miklos Porkolab a apporté son expertise sur le chauffage RF. Le chercheur Yijun Lin a pu mesurer la structure d'onde complexe dans le plasma avec le diagnostic unique d'imagerie à contraste de phase (PCI) du PSFC, qui a été développé au cours des deux dernières décennies par Porkolab et ses étudiants diplômés. Le chercheur Ted Golfinopoulos a soutenu l'expérience en suivant l'effet des ions de la gamme MeV sur les mesures des fluctuations plasmatiques.

Les bons résultats sur C-Mod ont fourni une preuve de principe, assez pour obtenir des scientifiques du Joint European Torus (JET) du Royaume-Uni, Le plus grand appareil de fusion d'Europe, intéressés à reproduire les résultats. Comme JET, C-Mod fonctionnait à une intensité de champ magnétique et à une pression plasma comparables à ce qui serait nécessaire dans un futur appareil capable de fusion. Les deux tokamaks disposaient également de capacités de diagnostic complémentaires, permettant à C-Mod de mesurer les ondes impliquées dans l'interaction complexe onde-particule, tandis que JET a pu mesurer directement les particules de la gamme MeV.

John Wright fait l'éloge de la collaboration.

"Les gens du JET avaient de très bons diagnostics de particules énergétiques, afin qu'ils puissent mesurer directement ces ions de haute énergie et vérifier qu'ils étaient bien là, " dit-il. " Le fait que nous ayons réalisé une théorie de base sur deux appareils différents sur deux continents s'est réuni pour produire un document solide. "

Porkolab suggère que la nouvelle approche pourrait être utile pour la collaboration du MIT avec le stellarator Wendelstein 7-X au Max Planck Institute for Plasma Physics à Greifswald, Allemagne, où des recherches sont en cours sur l'une des questions fondamentales de la physique :dans quelle mesure les ions énergétiques pertinents pour la fusion sont-ils confinés. L'article de Nature Physics note également que les expériences pourraient donner un aperçu du flux abondant d'ions He-3 observé dans les éruptions solaires.