Un enjeu majeur pour ITER, le tokamak international en construction en France qui sera le premier appareil de fusion magnétique à produire de l'énergie nette, est de savoir si les plaques de divertor cruciales qui évacueront la chaleur perdue de l'appareil peuvent résister au flux de chaleur élevé, ou charger, qui les frappera. Des projections alarmantes extrapolées à partir des tokamaks existants suggèrent que le flux de chaleur pourrait être si étroit et concentré qu'il endommagerait les plaques de divertor en tungstène des sept étages, 23, tokamak de 000 tonnes et nécessitent des réparations fréquentes et coûteuses. Ce flux pourrait être comparable à la charge thermique subie par les engins spatiaux rentrant dans l'atmosphère terrestre.

Les nouvelles découvertes d'une équipe internationale dirigée par le physicien C.S. Chang du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) brossent un tableau plus positif. Résultats de la collaboration, qui a passé deux ans à simuler le flux de chaleur, indiquent que la largeur pourrait être bien en deçà de la capacité des plaques de divertor à tolérer.

Bonne nouvelle pour ITER

« Cela pourrait être une très bonne nouvelle pour ITER, " Chang a dit des résultats, publié en août dans la revue La fusion nucléaire . "Cela indique qu'ITER peut produire 10 fois plus d'énergie qu'il n'en consomme, comme prévu, sans endommager prématurément les plaques du divertor."

Chez ITER, porte-parole Laban Coblentz, a déclaré que les simulations étaient d'un grand intérêt et très pertinentes pour le projet ITER. Il a déclaré qu'ITER serait impatient de voir une analyse comparative expérimentale, réalisée par exemple par le Joint European Torus (JET) au Culham Center for Fusion Energy au Royaume-Uni, renforcer la confiance dans les résultats de la simulation.

L'équipe de Chang a utilisé le code de simulation informatique de turbulence plasma XGC1 hautement sophistiqué développé au PPPL pour créer la nouvelle estimation. La simulation a projeté une largeur de 6 millimètres pour le flux de chaleur dans ITER lorsqu'il est mesuré de manière standardisée parmi les tokamaks, bien supérieure à la largeur de moins de 1 millimètre projetée grâce à l'utilisation de données expérimentales.

Les chercheurs des principales installations mondiales ont dérivé des projections de faible largeur à partir de données expérimentales. Aux Etats-Unis, ces tokamaks étaient l'expérience nationale du tore sphérique avant sa mise à niveau au PPPL ; l'installation Alcator C-Mod au MIT, qui a cessé ses activités fin 2016 ; et l'installation nationale de fusion DIII-D que General Atomics exploite pour le DOE à San Diego.

Des conditions très différentes

L'écart entre les projections expérimentales et les prédictions de simulation, dit Chang, découle du fait que les conditions à l'intérieur d'ITER seront trop différentes de celles des tokamaks existants pour que les prédictions empiriques soient valides. Les principales différences incluent le comportement des particules de plasma dans les machines actuelles par rapport au comportement attendu des particules dans ITER. Par exemple, tandis que les ions contribuent de manière significative à la largeur de chaleur dans les trois machines américaines, les électrons turbulents joueront un rôle plus important dans ITER, rendant les extrapolations peu fiables.

L'équipe de Chang a utilisé les principes de base de la physique, plutôt que des projections empiriques basées sur les données des machines existantes, pour dériver la prédiction plus large simulée. L'équipe a d'abord testé si le code pouvait prédire la largeur du flux de chaleur produit lors d'expériences sur les tokamaks américains, et trouvé que les prédictions étaient valides.

Les chercheurs ont ensuite utilisé le code pour projeter la largeur du flux de chaleur dans un modèle estimé de plasma de bord ITER. La simulation a prédit la plus grande largeur de flux de chaleur qui sera durable dans la conception actuelle d'ITER.

Simulation activée par les supercalculateurs

Les supercalculateurs ont rendu cette simulation possible. La validation du code sur les tokamaks existants et la production des résultats ont pris quelque 300 millions d'heures de base sur Titan et Cori, deux des supercalculateurs américains les plus puissants, hébergé à Oak Ridge Leadership Computing Facility du DOE et au National Energy Research Scientific Computing Center, respectivement. Une heure-cœur correspond à un processeur, ou noyau, courir pendant une heure.