Les oiseaux le font, tout comme les installations de fusion en forme de beignet appelées « tokamaks ». Mais le gazouillis du tokamak - une onde de fréquence à changement rapide qui peut être bien au-dessus de ce que l'oreille humaine peut détecter - n'est guère le bienvenu pour les chercheurs qui cherchent à amener la fusion qui alimente le soleil et les étoiles sur Terre. Un tel gazouillis signale une perte de chaleur qui peut ralentir les réactions de fusion, une perte qui a longtemps intrigué les scientifiques.

Pour compliquer le casse-tête, certains tokamaks gazouillent plus fréquemment que d'autres. Par exemple, des gazouillis se sont souvent produits dans le National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) au Princeton Plasma Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE), mais ont été rares dans le tokamak DIII-D National Fusion Facility que General Atomics exploite pour le DOE à San Diego. Comprendre pourquoi certains tokamaks gazouillent et d'autres non est important pour que les chercheurs puissent prédire et éventuellement apprendre à éviter un tel gazouillis dans le tokamak ITER, le réacteur de fusion international qui est en cours de construction dans le sud de la France pour démontrer la praticité de l'énergie de fusion.

Dans un réacteur à fusion comme ITER, les réactions de fusion produisent des « ions rapides » - des noyaux atomiques hautement énergétiques sur lesquels les scientifiques s'appuient pour maintenir les températures plasmatiques élevées nécessaires pour maintenir le plasma chaud. De tels ions sont comme un vent rapide qui, sous certaines conditions, peuvent exciter des ondes appelées « ondes d'Alfvén » dans le plasma chaud, un peu comme les notes de musique produites en soufflant dans un instrument à vent. Si le vent d'ions rapides est suffisamment fort, les vagues d'Alfvén commencent à pépier, ce qui entraînera une perte d'énergie, réduire la température du plasma et la puissance de fusion.

Conditions qui conduisent au gazouillis

Les scientifiques dirigés par les chercheurs du PPPL ont maintenant modélisé les conditions du plasma qui donnent lieu au gazouillis et prédisent quand il se produira. Le modèle informatique, testé avec succès sur le tokamak DIII-D, décrit l'impact de la turbulence - la fluctuation aléatoire du plasma qui peut entraîner une perte de chaleur et de particules - sur les ions rapides. Le modèle montre que la turbulence dans le plasma aide à briser ou à disperser le vent ionique rapide. Si la diffusion est suffisamment forte, les ions rapides n'ont plus la force de provoquer le gazouillis des ondes d'Alfvén et la perte de chaleur du plasma peut être réduite.

Jusque récemment, trouver des preuves directes du rôle de la turbulence dans l'influence de la force du vent ionique rapide et de son rôle dans le gazouillis a été un défi. De récentes expériences DIII-D ont maintenant révélé le lien intime entre les niveaux de turbulence et le gazouillis du plasma.

Dans ces expériences, le vent d'ions rapides a produit une seule note d'Alfvén dans le plasma, un peu comme une seule note dans un instrument à vent. Puis, lorsque le plasma passe spontanément à un nouvel état de confinement amélioré avec de faibles niveaux de turbulence, la note Alfvén commence à pépier rapidement.

Cette apparition de gazouillis est clairement liée à la réduction des turbulences, étant donné que des turbulences plus faibles ne peuvent plus disperser le vent ionique rapide, lui permettant de s'accumuler suffisamment pour pousser les vagues d'Alfvén plus fort et les faire commencer à gazouiller. "Le mouvement cohérent des paquets d'ions rapides lorsque la turbulence diminue donne lieu au gazouillis et aux fuites et à la chaleur associées au gazouillis, " dit Vinicius Duarte, un physicien de recherche associé PPPL et ancien chercheur invité de l'Université de São Paulo, Brésil, qui est l'auteur principal d'un article décrivant les résultats de Physique des plasmas et présenté comme un "Scilight" - un point culminant de la science - par l'American Institute of Physics.

Pourquoi certains plasmas gazouillent

La théorie développée par Duarte indique également pourquoi certains plasmas gazouillent et d'autres non. L'explication est que la turbulence est beaucoup moins efficace pour diffuser le vent ionique rapide dans certains appareils par rapport à d'autres. La prochaine étape consistera à utiliser ces connaissances pour concevoir des méthodes permettant d'éviter le gazouillis dans les expériences actuelles, et d'utiliser ces méthodes dans la conception des futurs réacteurs à fusion tels qu'ITER.