Flux de plasma hélicoïdal dans le cœur d'un tokamak dans une simulation non linéaire. Le rouge représente les valeurs positives et le bleu représente les valeurs négatives de la fonction de flux de vitesse poloïdale. Les flèches noires illustrent la direction du flux de plasma dans une section transversale toroïdale. (La figure montre un quart du tore.) Crédit :US Department of Energy
Le gaz ionisé chaud appelé plasma est confiné dans un tokamak en forme de bagel par un fort champ magnétique, dont une partie est générée par un fort courant électrique circulant dans le plasma. Périodiquement, une instabilité en dents de scie se produit. Cela provoque une chute brutale de la température centrale du plasma, puis une récupération en dents de scie. L'instabilité limite la quantité de courant pouvant être concentrée au centre du plasma. Cependant, il existe des types de plasmas de tokamak pour lesquels un mécanisme jusqu'alors inconnu, appelé pompage de flux magnétique, limite le courant dans le centre du plasma pour qu'il reste juste en dessous du seuil en dents de scie. Les scientifiques ont été intrigués par le fonctionnement de ce mécanisme d'autorégulation. Les résultats de simulations numériques très complexes suggèrent maintenant une réponse possible.
L'instabilité en dents de scie peut déclencher d'autres problèmes qui conduisent à la détérioration voire à la perte du confinement du plasma. Ainsi, les scénarios hybrides dans lesquels le pompage du flux magnétique empêche l'instabilité en dents de scie sont intéressants. Cela est particulièrement vrai pour les futures expériences de fusion à grande échelle, comme ITER. Extrapoler l'accessibilité et les propriétés des scénarios hybrides à ITER, il est essentiel de comprendre la physique derrière le pompage de flux magnétique. A l'aide de simulations élaborées, les scientifiques sont maintenant en mesure de trouver une explication possible à ce phénomène.
Le mécanisme de pompage du flux magnétique dans les simulations numériques fonctionne comme suit :si le profil de courant central est plat et si la pression plasmatique centrale est suffisamment élevée, un mode de quasi-échange se développe dans le coeur du plasma. Le mode quasi-échange génère un flux hélicoïdal de plasma à grande échelle qui, presque comme un mélangeur, agite en permanence le plasma central. À la fois, le champ magnétique dans le noyau de plasma est déformé.
C'est là qu'intervient l'effet dynamo. L'effet dynamo joue un rôle important pour de nombreux phénomènes astrophysiques ainsi que pour le mécanisme qui maintient le champ magnétique terrestre. Il décrit comment un mouvement particulièrement tourbillonnant d'un fluide électriquement conducteur peut renforcer un champ magnétique existant. Dans le cas du champ magnétique terrestre, le fluide est la partie liquide du noyau de fer de la Terre. Dans le cas du scénario du tokamak hybride, le fluide est le plasma chaud au centre du tokamak. Dans le dernier cas, c'est par un effet dynamo que le flux plasma hélicoïdal et la déformation hélicoïdale du champ magnétique se combinent pour donner une tension négative qui maintient le courant central plat. En maintenant le courant dans le centre du plasma plat, l'instabilité en dents de scie est évitée.
Les simulations numériques expliquent également comment ce pompage de flux magnétique se régule :Le mode quasi-échange est connu pour fonctionner mieux si le courant central est à un certain seuil - qui coïncide avec le seuil de l'instabilité en dents de scie. Chaque fois que le mécanisme de pompage de flux devient trop fort, il fragilise le mode de quasi-échange et donc sa propre pulsion. C'est ainsi que la force du pompage de flux est limitée de manière à maintenir le courant central juste en dessous du seuil d'instabilité en dents de scie.
