Un obstacle clé pour les chercheurs en fusion est de comprendre la turbulence, les ondulations et les tourbillons qui peuvent amener le plasma super chaud qui alimente les réactions de fusion à laisser échapper de la chaleur et des particules et empêcher la fusion d'avoir lieu. Comprendre et réduire la turbulence facilitera le développement de la fusion en tant que solution sûre, source d'énergie propre et abondante pour produire de l'électricité à partir de centrales électriques du monde entier.

Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont rassemblé une grande base de données de mesures détaillées de la structure bidimensionnelle (2D) de la turbulence du plasma de bord rendue visible par une technique de diagnostic connue sous le nom d'imagerie par bouffée de gaz. Les deux dimensions, mesuré à l'intérieur d'un appareil de fusion appelé tokamak, représentent la structure radiale et verticale de la turbulence.

Pas vers une meilleure compréhension

"Cette étude est une étape progressive vers une meilleure compréhension de la turbulence, " a déclaré le physicien Stewart Zweben, auteur principal de la recherche publiée dans la revue Physique des plasmas . "Cela pourrait nous aider à comprendre comment la turbulence fonctionne comme la principale cause de fuite du confinement du plasma."

La fusion se produit naturellement dans l'espace, fusionner les éléments légers dans le plasma pour libérer l'énergie qui alimente le soleil et les étoiles. Sur Terre, les chercheurs créent la fusion dans des installations comme les tokamaks, qui contrôlent le plasma chaud avec des champs magnétiques. Mais la turbulence provoque fréquemment une fuite de chaleur de son confinement magnétique.

Les scientifiques du PPPL sont maintenant allés au-delà des caractérisations précédemment publiées de la turbulence et ont analysé les données pour se concentrer sur les corrélations spatiales 2D au sein de la turbulence. Cette corrélation fournit des indices sur l'origine du comportement turbulent qui provoque les fuites de chaleur et de particules, et servira de base supplémentaire pour tester les simulations informatiques de la turbulence par rapport à des preuves empiriques.

Etude de 20 décharges de plasma

L'article a étudié 20 décharges de plasma choisies comme échantillon représentatif de celles créées dans l'expérience nationale du tore sphérique (NSTX) de PPPL avant sa récente mise à niveau. Dans chacune de ces décharges, une bouffée de gaz a illuminé la turbulence près du bord du plasma, où la turbulence est d'un intérêt particulier. Les bouffées, une source d'atomes neutres qui brillent en réponse aux changements de densité dans une région bien définie, ont permis aux chercheurs de voir les fluctuations de la densité de la turbulence. Une caméra rapide a enregistré la lumière résultante au taux de 400, 000 images par seconde sur une taille d'image de 64 pixels de large sur 80 pixels de haut.

Zweben et ses co-auteurs ont effectué une analyse informatique des données de la caméra, déterminer les corrélations entre les différentes régions des cadres lorsque les tourbillons turbulents les traversent. « Nous observons les modèles de la structure spatiale, " a déclaré Zweben. " Vous pouvez le comparer à la structure des nuages ​​qui dérivent. Certains gros nuages ​​peuvent être agglutinés ou il peut y avoir une pause avec un ciel tout simple."

Vue détaillée des turbulences

Les corrélations fournissent une vue détaillée de la nature de la turbulence du plasma. "Des choses simples sur la turbulence comme sa taille et son échelle de temps sont connues depuis longtemps, " a déclaré le physicien du PPPL Daren Stotler, un co-auteur de l'article. "Ces simulations plongent profondément dans un autre niveau pour voir comment la turbulence dans une partie du plasma varie par rapport à la turbulence dans une autre partie."

Dans les graphiques résultants, une croix bleue indique le point de focalisation d'un calcul; les zones rouges et jaunes autour de la croix sont des régions dans lesquelles la turbulence évolue de manière similaire à la turbulence au point focal. Plus loin, les chercheurs ont trouvé des régions dans lesquelles la turbulence change à l'opposé des changements au point focal. Ces régions plus éloignées sont représentées par des nuances de bleu dans les graphiques, avec la croix jaune indiquant le point avec la corrélation la plus négative.

Par exemple, si les images rouges et jaunes étaient une région de turbulence à haute densité, les images bleues indiquaient une faible densité. "L'augmentation de la densité doit venir de quelque part, " dit Zweben. " Peut-être des régions bleues. "

Aller de l'avant, la connaissance de ces corrélations pourrait être utilisée pour prédire le comportement de la turbulence dans un plasma magnétiquement confiné. Le succès de l'effort pourrait approfondir la compréhension d'une cause fondamentale de la perte de chaleur des réactions de fusion.