Des décennies de recherche sur la fusion ont apporté de nombreuses avancées dans notre compréhension de la physique du plasma, le gaz ionisé chaud au cœur d'un réacteur à fusion. Alors que de nombreuses questions trouvent des réponses, des défis importants demeurent.

Prendre, par exemple, turbulence. Il est généralement admis que le transport turbulent des particules, l'énergie et la quantité de mouvement dans un réacteur tokamak jouent un rôle clé dans la détermination du niveau de confinement et des performances du réacteur. Mais une compréhension approfondie de la turbulence du plasma et du mécanisme de transport - et la capacité de prédire chacun avec précision - est un peu plus insaisissable.

Dans une réaction de fusion, l'énergie est libérée lorsque deux isotopes d'hydrogène sont fusionnés pour former un noyau plus lourd, l'hélium et un neutron libre hautement énergétique. Pour atteindre des taux de réaction suffisamment élevés pour faire de la fusion une source d'énergie utile, l'hydrogène contenu à l'intérieur du cœur du réacteur doit être chauffé à des températures extrêmement élevées, supérieures à 100 millions de degrés Celsius, ce qui le transforme en plasma chaud. Dans certains réacteurs, de forts champs magnétiques sont alors utilisés pour "contenir" le plasma et l'empêcher de toucher les parois des vaisseaux, un processus connu sous le nom de confinement magnétique.

Il se passe donc beaucoup de choses à l'intérieur du plasma lorsqu'il se réchauffe. Poussé par des forces électriques et magnétiques, les particules chargées tourbillonnent et se heurtent les unes aux autres, et la température centrale et la densité évoluent constamment. En outre, les instabilités du plasma, c'est-à-dire les turbulences, perturbent la capacité du réacteur à produire de l'énergie durable en augmentant le taux de perte de chaleur.

Heureusement, de nouvelles simulations de superordinateurs facilitent la prédiction plus précise des aspects clés du comportement du plasma. Une équipe de physiciens de l'Université de Californie à San Diego (UCSD), Le Plasma Science and Fusion Center du MIT et le Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ont effectué une série de simulations gyrocinétiques à plusieurs échelles au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory pour déterminer si le transport d'énergie des électrons dans une décharge de plasma de tokamak est de nature multi-échelle. . Être capable de prédire avec précision le transport d'énergie des électrons est essentiel pour prédire les performances des futurs réacteurs tels qu'ITER, actuellement en construction à Cadarache, La France.

« Dans un réacteur à fusion, la majeure partie de la chaleur générée dans le plasma sera transportée par les électrons, " a déclaré Chris Holland, chercheur au Center for Energy Research de l'UCSD et auteur principal d'une étude récente sur La fusion nucléaire décrivant ce travail. Cette étude s'appuie sur des recherches antérieures de Holland et de ses collègues du MIT et de General Atomics dans lesquelles ils ont utilisé des simulations à plusieurs échelles pour étudier plus précisément les instabilités de turbulence qui provoquent la perte de chaleur du plasma.

Ces dernières simulations, qui ont été réalisées avec le code de turbulence plasma gyrocinétique GYRO et ont utilisé près de 70 millions d'heures de temps de calcul sur le système Edison de la NERSC, correspond aux conditions mesurées dans un essai plasma au réacteur tokamak DIII-D en utilisant le scénario de référence ITER. Le tokamak DIII-D, situé à General Atomics, est utilisé depuis les années 1980 pour développer les techniques nécessaires au fonctionnement d'ITER et étudier leur impact sur les performances des réacteurs.

Après examen des nouvelles simulations multi-échelles, l'équipe de recherche a découvert que le transport d'énergie des électrons dans ces plasmas semble avoir un fort caractère multi-échelle - la première preuve de la nature multi-échelle du transport d'électrons pour des conditions comme celles attendues dans ITER. Les simulations ont montré que pour ces conditions, le transport d'électrons se produira sur une gamme d'échelles beaucoup plus large (d'où le terme "multi-échelle") que dans de nombreuses expériences précédentes, et qu'il existe de forts couplages non linéaires entre les différentes échelles que les simulations précédentes n'ont pas pu résoudre.

Ces résultats étendent davantage notre connaissance de ce qui se passe dans les expériences de recherche actuelles sur les tokamaks et dans les futurs réacteurs expérimentaux tels que ITER, qui devrait améliorer la conception du réacteur. En outre, les nouvelles simulations peuvent être utilisées comme un outil prédictif direct par les chercheurs en énergie de fusion pour encapsuler la physique du plasma dans un réacteur à fusion et produire des modèles réduits pour la conception des futurs réacteurs, Hollande a noté.

"Il est vital de faire ce genre de simulations pour identifier à quels phénomènes s'attendre dans un futur réacteur et en quoi il peut être différent des expériences actuelles, " a-t-il dit. " Mais si vous voulez faire une prédiction réelle de la façon dont une expérience comme ITER va se dérouler, vous auriez à faire des dizaines ou des centaines de ces simulations, ce qui est encore certainement au-delà de ce que nous pouvons faire maintenant. Il est donc important non seulement de faire ces simulations mais de les utiliser pour comprendre la physique, produire des modèles qui sont plus efficaces sur le plan informatique et faire des prédictions intégrées de simulation de l'ensemble de l'appareil."