Les scientifiques qui cherchent à amener la fusion - la puissance qui pousse le soleil et les étoiles - jusqu'à la Terre doivent d'abord rendre l'état de la matière appelé plasma suffisamment chaud pour soutenir les réactions de fusion. Cela nécessite de chauffer le plasma à plusieurs fois la température du noyau du soleil. Dans ITER, l'installation internationale de fusion en construction en France pour démontrer la faisabilité de la fusion, l'appareil chauffera à la fois les électrons libres et les noyaux atomiques (ou ions) qui composent le plasma. La question est, que va faire ce mélange chauffant sur la température et la densité du plasma qui sont cruciales pour la production par fusion ?

De nouvelles recherches indiquent que la compréhension du chauffage combiné montre comment nous pourrions améliorer la production de la fusion dans ITER et d'autres installations de fusion de nouvelle génération - une découverte clé des physiciens du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE), l'installation nationale de fusion DIII-D que General Atomics exploite pour le DOE, et autres collaborateurs. "Cela montre ce qui se passe lorsque le chauffage électronique est ajouté au chauffage ionique, " a déclaré Brian Grierson, physicien du PPPL, qui a dirigé les tests d'un modèle informatique qui a projeté les résultats DIII-D à ITER.

Le modèle, créé par Gary Staebler de General Atomics et rapporté dans un article de Physique des plasmas avec Grierson comme premier auteur, ont étudié les résultats expérimentaux de DIII-D dans des conditions imitant celles attendues dans ITER. Diagnostics fournis par l'Université du Wisconsin-Madison et l'Université de Californie, Los Angeles a mesuré la turbulence résultante, ou fluctuations aléatoires et tourbillons, qui a eu lieu dans le plasma.

Turbulence multi-échelle

Les mesures ont révélé des turbulences avec des longueurs d'onde courtes à longues causées par le chauffage des électrons et des ions, respectivement. La combinaison a produit des turbulences « multi-échelles » qui ont modifié la façon dont les particules et la chaleur s'échappent du plasma. La turbulence peut réduire la vitesse des réactions de fusion.

Le chauffage combiné des électrons et des ions a modifié le gradient, ou vitesse spatiale de changement de la densité du plasma. Cette découverte était importante car la puissance de fusion produite par ITER et d'autres tokamaks de nouvelle génération augmentera à mesure que la densité augmentera. De plus, l'augmentation a eu lieu sans provoquer l'accumulation d'impuretés dans le coeur du plasma et son refroidissement, qui pourrait stopper les réactions de fusion.

Les scientifiques ont utilisé un modèle de "physique réduite" appelé TGLF qui a simplifié les simulations massivement parallèles et coûteuses de turbulences multi-échelles qui nécessitent des millions d'heures de calcul sur des supercalculateurs. Les chercheurs ont exécuté cette version simplifiée des centaines de fois sur des ordinateurs PPPL pour tester l'impact sur le modèle des incertitudes issues des expériences DIII-D.

"Le modèle TGLF exploite les propriétés de faible turbulence des tokamaks comme ITER, " a déclaré Staebler. " Il calcule approximativement le transport du plasma des milliards de fois plus rapidement qu'une simulation de turbulence multi-échelles gyrocinétique exécutée sur des superordinateurs hautes performances. "

Impact du chauffage électronique

Le modèle a examiné spécifiquement l'impact du chauffage par électrons sur le mélange de chauffage global. Les chercheurs produisent un tel chauffage en dirigeant des micro-ondes sur les électrons qui tournent autour des lignes de champ magnétique - un processus qui augmente l'énergie thermique des électrons, le transfère aux ions par collisions, et complète le chauffage des ions par injection de faisceau neutre.

Les résultats ont indiqué que l'étude de la turbulence multi-échelle sera essentielle pour comprendre comment traiter l'effet multi-échelle sur le transport de la chaleur, particules et quantité de mouvement dans les tokamaks de nouvelle génération, ou appareils de fusion, a noté Grierson. "Nous devons comprendre le transport sous chauffage ionique et électronique pour projeter en toute confiance vers les futurs réacteurs, " il a dit, "parce que les centrales à fusion auront les deux types de chauffage."