La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, produit des quantités massives d'énergie. Les scientifiques ici sur Terre cherchent à reproduire ce processus, qui fusionne les éléments légers sous forme de chaud, plasma chargé composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, créer une réserve d'énergie pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité dans ce qu'on pourrait appeler une « étoile dans un bocal ».

Un casse-tête de longue date dans l'effort pour capturer la puissance de la fusion sur Terre est de savoir comment réduire ou éliminer une instabilité commune qui se produit dans le plasma appelée modes localisés aux bords (ELM). Tout comme le soleil libère d'énormes explosions d'énergie sous forme d'éruptions solaires, afin que des éclats d'ELM ressemblant à des fusées éclairantes puissent s'écraser contre les murs de tokamaks en forme de beignet qui abritent des réactions de fusion, endommager potentiellement les parois du réacteur.

Les ondulations contrôlent les nouvelles rafales

Pour contrôler ces rafales, les scientifiques perturbent le plasma avec de petites ondulations magnétiques appelées perturbations magnétiques résonantes (RMP) qui déforment le lisse, forme de beignet du plasma - libérant une surpression qui diminue ou empêche les ELM de se produire. Le plus dur est de produire juste la bonne quantité de cette distorsion 3D pour éliminer les ELM sans déclencher d'autres instabilités et libérer trop d'énergie qui, au pire des cas, peut conduire à une perturbation majeure qui met fin au plasma.

Ce qui rend la tâche exceptionnellement difficile est le fait qu'un nombre pratiquement illimité de distorsions magnétiques peut être appliqué au plasma, ce qui fait que trouver précisément le bon type de distorsion est un défi extraordinaire. Mais plus maintenant.

Le physicien Jong-Kyu Park du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), travailler avec une équipe de collaborateurs des États-Unis et du National Fusion Research Institute (NFRI) en Corée, ont prédit avec succès l'ensemble des distorsions 3D bénéfiques pour contrôler les ELM sans créer plus de problèmes. Les chercheurs ont validé ces prédictions sur l'installation de recherche avancée du tokamak supraconducteur coréen (KSTAR), l'un des tokamaks supraconducteurs les plus avancés au monde, situé à Daejeon, Corée du Sud.

KSTAR idéal pour les tests

KSTAR était idéal pour tester les prédictions en raison de ses commandes magnétiques avancées pour générer des distorsions précises dans le quasi-parfait, symétrie en forme de beignet du plasma. Identifier les distorsions les plus bénéfiques, qui représentent moins d'un pour cent de toutes les distorsions possibles qui pourraient être produites à l'intérieur de KSTAR, aurait été pratiquement impossible sans le modèle prédictif développé par l'équipe de recherche.

Le résultat a été une réalisation sans précédent. « Nous montrons pour la première fois la fenêtre d'exploitation complète du champ en 3D dans un tokamak pour supprimer les ELM sans provoquer d'instabilités du cœur ni dégrader excessivement le confinement, " dit Parc, dont l'article, écrit avec 14 coauteurs des États-Unis et de la Corée du Sud, est publié dans Physique de la nature . "Pendant longtemps, nous avons pensé qu'il serait trop difficile d'un point de vue informatique d'identifier tous les champs de rupture de symétrie bénéfiques, mais notre travail démontre maintenant une procédure simple pour identifier l'ensemble de toutes ces configurations."

Les chercheurs ont réduit la complexité des calculs lorsqu'ils ont réalisé que le nombre de façons dont le plasma peut se déformer est en réalité bien inférieur à la gamme de champs 3D possibles qui peuvent être appliqués au plasma. En travaillant à rebours, des distorsions aux champs 3D, les auteurs ont calculé les champs les plus efficaces pour éliminer les ELM. Les expériences KSTAR ont confirmé les prédictions avec une précision remarquable.

Les résultats offrent une nouvelle confiance

Les découvertes sur KSTAR donnent une nouvelle confiance dans la capacité de prédire les champs 3D optimaux pour ITER, le tokamak international en construction en France, qui prévoit d'utiliser des aimants spéciaux pour produire des distorsions 3D pour contrôler les ELM. Ce contrôle sera vital pour ITER, dont le but est de produire 10 fois plus d'énergie qu'il n'en faudra pour chauffer le plasma. Dit les auteurs de l'article, "la méthode et le principe adoptés dans cette étude peuvent considérablement améliorer l'efficacité et la fidélité du processus d'optimisation 3-D compliqué dans les tokamaks."