Chercheurs de l'Installation nationale de fusion DIII-D, une installation utilisateur du DOE Office of Science exploitée par General Atomics, utilisé un modèle fluide de « physique réduite » de la turbulence du plasma pour expliquer les propriétés inattendues du profil de densité à l'intérieur d'une expérience de tokamak. La modélisation du comportement turbulent du plasma pourrait aider les scientifiques à optimiser les performances du tokamak dans les futurs réacteurs à fusion comme ITER.
L'application de chaleur dans un tokamak produit de nombreux phénomènes intéressants tels que des changements dans la rotation et la densité du plasma. Les chercheurs du DIII-D ont modélisé comment différents types de chauffage, comme les micro-ondes qui produisent un chauffage électronique ou des faisceaux neutres qui produisent un chauffage ionique, influence la densité du plasma, comportement des impuretés et transport turbulent. Les différentes méthodes de chauffage entraînent des turbulences aux échelles longues (ions) et beaucoup plus courtes (électrons) qui sont à la frontière des simulations informatiques de la turbulence.
Leurs découvertes, rapporté cette semaine dans Physique des plasmas , ont montré que le chauffage des électrons dans un réacteur à fusion provoquait des changements importants dans les gradients de densité au sein du plasma. Leur modèle de "fluide gyro-landau piégé" (TGLF) a prédit que l'ajout de turbulence excitée par la chaleur, aux longueurs d'onde comprises entre les échelles ionique et électronique, et produirait un pincement de particules qui modifierait le profil de densité global du plasma. En outre, Dans cet article, les chercheurs ont utilisé leur modèle de transport réduit pour prédire le transport des impuretés dans un réacteur à fusion.
Brian Grierson, un physicien du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton travaillant comme chercheur au DIII-D National Fusion Facility à San Diego, dit que "quand vous chauffez le plasma, vous ne changez pas seulement la température, vous changez le type de turbulence qui existe, et cela a des implications secondaires sur le transport de la densité du plasma et la rotation du plasma."
Généralement, la chaleur s'écoulant du centre de plasma chaud vers le bord de plasma froid entraîne une diffusion turbulente, qui devrait agir pour aplatir le gradient de densité. "Mais ce qui est fascinant, c'est que parfois l'application de chaleur dans un réacteur à fusion le fait produire un gradient de densité plutôt que de l'aplatir, " a déclaré Grierson. Ce pic de densité est important car la réaction de fusion entre les particules de deutérium et de tritium dans un tokamak augmente à mesure que la densité du plasma augmente. En d'autres termes, il a dit, "La puissance de fusion est proportionnelle à la densité [plasma] au carré."
Grierson remercie Gary Staebler, un co-auteur sur le papier, en tant que théoricien de l'atome général derrière TGLF, le modèle testé dans cet article. TGLF est un modèle de physique réduite du code gyrocinétique "full physics" GYRO pour le transport turbulent, qui doit être exécuté sur des supercalculateurs. En utilisant ce modèle TGLF plus rentable, les chercheurs ont pu exécuter le code avec diverses mesures expérimentales et entrées des centaines de fois pour quantifier comment les incertitudes dans les données expérimentales affectent l'interprétation théorique.
Aller de l'avant, Grierson espère que ces découvertes aideront à éclairer la recherche pour faire progresser la compréhension de la communauté de la fusion des fluctuations à très petite échelle et du transport des impuretés dans un plasma.
"Nous devons comprendre le transport sous chauffage ionique et électronique pour projeter en toute confiance vers les futurs réacteurs, parce que les réacteurs de fusion auront à la fois un chauffage ionique et électronique, " a déclaré Grierson. " Ce résultat identifie ce que nous devons étudier avec les simulations physiques complètes exigeantes en termes de calcul pour vérifier l'interaction des particules, quantité de mouvement et transport d'impuretés avec chauffage."
