Un problème clé pour les réacteurs à fusion de prochaine génération est l'impact possible de nombreux modes propres instables d'Alfvén, des perturbations ondulatoires produites par les réactions de fusion qui se propagent à travers le plasma dans des installations de fusion en forme de beignet appelées "tokamaks". Le deutérium et le tritium réagissent lorsqu'ils sont chauffés à des températures proches de 100 millions de degrés Celsius, produisant des ions d'hélium de haute énergie appelés particules alpha qui chauffent le plasma et entretiennent les réactions de fusion.

Ces particules alpha sont encore plus chaudes que le carburant et ont tellement d'énergie qu'elles peuvent entraîner des modes propres d'Alfvén qui permettent aux particules de s'échapper de la chambre de réaction avant de pouvoir chauffer le plasma. Comprendre ces ondes et comment elles aident les particules alpha à s'échapper est un sujet de recherche clé en science de la fusion.

Si seulement une ou deux de ces ondes sont excitées dans la chambre de réaction, l'effet sur les particules alpha et leur capacité à chauffer le carburant est limité. Cependant, les théoriciens ont prédit depuis un certain temps que si beaucoup de ces ondes sont excitées, ils peuvent rejeter collectivement beaucoup de particules alpha, mettant en danger les parois de la chambre du réacteur et le chauffage efficace du combustible.

Des expériences récentes menées sur le DIII-D National Fusion Facility, que General Atomics opère pour le département américain de l'Énergie (DOE) à San Diego, ont révélé des preuves qui confirment ces prédictions théoriques. Des pertes allant jusqu'à 40 % des particules à haute énergie sont observées dans des expériences lorsque de nombreuses ondes d'Alfvén sont excitées par des ions de faisceau de deutérium utilisés pour simuler des particules alpha et des ions de faisceau à plus haute énergie dans un réacteur à fusion tel qu'ITER, qui est actuellement en construction dans le sud de la France.

A la suite de cette recherche, Les physiciens du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du DOE ont produit un modèle quantitativement précis de l'impact de ces ondes d'Alfvén sur les faisceaux de deutérium à haute énergie dans le tokamak DIII-D. Ils ont utilisé des codes de simulation appelés NOVA et ORBIT pour prédire quelles ondes d'Alfvén seraient excitées et leur effet sur le confinement des particules de haute énergie.

Les chercheurs ont confirmé la prédiction de la modélisation NOVA selon laquelle plus de 10 ondes instables d'Alfvén peuvent être excitées par les faisceaux de deutérium dans l'expérience DIII-D. Par ailleurs, en accord quantitatif avec les résultats expérimentaux, la modélisation a prédit que jusqu'à 40 pour cent des particules énergétiques seraient perdues. La modélisation démontrée pour la première fois, dans ce type de plasma haute performance, que des prédictions quantitativement précises peuvent être faites pour l'effet de plusieurs ondes d'Alfvén sur le confinement des particules énergétiques dans le tokamak DIII-D.

"Notre équipe a confirmé que nous pouvons prédire quantitativement les conditions dans lesquelles les particules alpha de fusion peuvent être perdues du plasma sur la base des résultats obtenus à partir de la modélisation des expériences DIII-D", a déclaré Gerrit Kramer, un physicien de recherche PPPL et auteur principal d'un article décrivant les résultats de la modélisation dans le numéro de mai de la revue La fusion nucléaire .

Les résultats conjoints ont marqué une avancée potentiellement importante dans la compréhension du processus. "Ces résultats montrent que nous avons maintenant une solide compréhension des ondes individuelles excitées par les particules énergétiques et comment ces ondes fonctionnent ensemble pour expulser les particules énergétiques du plasma, " a déclaré le physicien Raffi Nazikian, chef du département ITER et Tokamaks au PPPL et responsable de la collaboration du laboratoire avec le DIII-D.

Le modèle NOVA+ORBIT a en outre indiqué que certaines conditions de plasma pouvaient réduire considérablement le nombre d'ondes d'Alfvén et donc réduire les pertes énergétiques de particules. De telles ondes et les pertes qu'elles produisent pourraient être minimisées si le profil du courant électrique au centre du plasma pouvait être élargi, selon l'analyse présentée dans l'article scientifique.

Des expériences pour tester ces idées pour réduire les pertes de particules énergétiques seront menées dans une prochaine campagne de recherche sur DIII-D. « De nouvelles mises à niveau de l'installation DIII-D permettront d'explorer des conditions de plasma améliorées, " a déclaré Nazikian. " De nouvelles expériences sont proposées pour accéder aux conditions prédites par la théorie pour réduire les pertes de particules énergétiques, avec des implications importantes pour la conception optimale des futurs réacteurs.