Un défi clé dans la recherche sur la fusion est de maintenir la stabilité du plasma chargé qui alimente les réactions de fusion à l'intérieur d'installations en forme de beignet appelées "tokamaks". Physiciens du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), ont récemment découvert que les particules dérivantes dans le plasma, qui se compose d'électrons libres et de noyaux atomiques, peut prévenir les instabilités qui réduisent la pression cruciale pour les réactions de fusion à haute performance à l'intérieur de ces installations.

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les autres étoiles, est la fusion d'éléments légers sous forme de plasma qui produit des quantités massives d'énergie. Les scientifiques du PPPL cherchent à étudier et reproduire la fusion en chauffant le plasma à des températures surchauffées à l'intérieur d'un tokamak et en le confinant sous pression en spirale, champs magnétiques. Les physiciens utilisent le terme « bêta » pour caractériser comment la pression de la chaleur produite par un tokamak se compare à la pression du champ magnétique utilisé pour contenir le plasma.

Les recherches menées par Zhirui Wang ont utilisé les données de la National Spherical Torus Experiment (NSTX), un tokamak sphérique à PPPL en forme de pomme évidée qui produit des plasmas à bêta élevé. Les résultats de l'étude expliquent comment les particules qui dérivent et rebondissent dans les champs peuvent stabiliser les plasmas à haute pression et à haute performance.

De telles particules sont piégées et rebondissent dans une partie limitée des champs magnétiques au lieu de parcourir toute leur circonférence autour de la machine. Les portions elles-mêmes peuvent dériver autour de la machine. Le rebond et la dérive peuvent dissiper l'énergie qui pourrait autrement déstabiliser le plasma et interférer avec les réactions de fusion, les physiciens ont trouvé.

Les chercheurs ont d'abord remarqué des divergences entre les données NSTX et les prédictions de simulation. La modification du code pour prendre en compte les particules piégées a amélioré l'accord en produisant des simulations suggérant que le plasma resterait stable plus longtemps sous haute pression, comme l'ont montré les expériences NSTX. "Nous avons découvert que les tokamaks peuvent atteindre un bêta plus élevé car le plasma sera stabilisé par ces effets cinétiques, " dit Wang, auteur principal d'un article décrivant les résultats dans la revue Nuclear Fusion.

Des simulations cinétiques améliorées pourraient également conduire à de meilleures prédictions et à un meilleur contrôle des instabilités du plasma connues sous le nom de modes localisés aux bords (ELM), qui apparaissent au bord des plasmas à haut confinement et en libérant de grandes quantités d'énergie vers la paroi peuvent endommager considérablement les composants faisant face au plasma dans un réacteur à fusion. De meilleures prédictions permettraient aux scientifiques de prévoir quand un ELM est sur le point de se produire et d'ajuster les commandes magnétiques afin que l'instabilité soit atténuée ou complètement supprimée avant qu'elle n'érode les matériaux entourant le plasma de fusion.

Les résultats globaux de cette recherche pourraient conduire à une meilleure réalisation des plasmas de fusion haute performance dans les tokamaks actuels et dans ITER, l'expérience internationale en construction en France pour démontrer la faisabilité de la fusion.