Un défi majeur auquel est confronté le développement de l'énergie de fusion est de maintenir le plasma ultra-chaud qui alimente les réactions de fusion dans un état stable, ou durable, forme en utilisant des bobines magnétiques supraconductrices pour éviter l'énorme besoin de puissance des bobines de cuivre. Alors que les supraconducteurs peuvent permettre à un réacteur à fusion de fonctionner indéfiniment, contrôler le plasma avec des supraconducteurs présente un défi car les contraintes d'ingénierie limitent la rapidité avec laquelle de telles bobines magnétiques peuvent s'ajuster par rapport aux bobines de cuivre qui n'ont pas les mêmes contraintes.

Le temps de réponse plus lent de ces bobines supraconductrices crée le problème. Le rythme plus lent rend difficile l'exploitation d'une décharge stable avec le grand volume de plasma ou la hauteur verticale étendue requise pour produire de la puissance de fusion. L'exploration de cette problématique dans un dispositif supraconducteur actuel est particulièrement utile pour ITER, l'expérience internationale de fusion en construction en France, qui sera opérationnel en 2025.

A la pointe du défi

À la pointe de ce défi de contrôle se trouve le dispositif Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), l'un des plus grands tokamaks supraconducteurs au monde. Ses supraconducteurs sont constitués de niobium et d'étain, le même conducteur qui est prévu pour être utilisé dans ITER.

Une équipe de chercheurs américains et coréens, dirigé par le physicien Dennis Mueller du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE), a maintenant nettement amélioré la stabilité du plasma allongé dans KSTAR, donnant l'exemple sur la manière de résoudre des problèmes similaires dans d'autres dispositifs supraconducteurs tels qu'ITER. La méthode de contrôle réussie, démontré cet été par Mueller et des physiciens du National Fusion Research Institute (NFRI) en Corée du Sud et de General Atomics à San Diego, couronne des années d'efforts pour contrôler l'instabilité verticale, qui avait permis au plasma de rebondir de haut en bas dans l'enceinte à vide poussé de 11 pieds.

"Au fur et à mesure que le plasma grandissait, il s'éloignait d'un fonctionnement stable, " Mueller a déclaré lors de la 59e réunion annuelle de la Division de physique des plasmas de l'American Physical Society en octobre. " La nouvelle méthode de correction empêche le plasma de rebondir de haut en bas en stabilisant le centre vertical du plasma. Le contrôle de l'instabilité verticale a permis des plasmas plus grands dans KSTAR que les spécifications de conception d'origine."

Electronique modifiée

La clé du correctif était l'électronique modifiée pour les capteurs qui détectent le champ magnétique du plasma et le mouvement et la position du plasma. Les capteurs modifiés envoient rapidement un signal de contrôle qui peut fournir un retour sur la position verticale. Le retour utilise une bobine de commande verticale (IVC) dans la cuve pour repousser les changements de position verticale et empêcher la terminaison du plasma. « L'utilisation des signaux de capteur améliorés est essentielle au bon fonctionnement du système de contrôle, ", a déclaré Mueller.

Le développement et l'optimisation des nouveaux capteurs magnétiques ont nécessité un effort d'équipe. Les chercheurs de KSTAR Jun Gyo Bak et Heungsu Kim ont fourni l'électronique. Mueller et Sang-hee Hahn de KSTAR ont mené l'effort.

En plus des améliorations des capteurs, Nicholas Eidietis de General Atomics a développé un système de contrôle qui distingue les changements rapides et lents des signaux des capteurs et dirige différentes bobines pour répondre au mouvement du plasma sur différentes échelles de temps. Le résultat final de ce travail d'équipe international est un système de contrôle qui répond efficacement aux mouvements du plasma, permettant un fonctionnement avec des plasmas plus grands qui dépassent les exigences de conception KSTAR. Le DOE Office of Science (FES) a soutenu ce travail collaboratif.