Les scientifiques qui cherchent à amener la réaction de fusion qui alimente le soleil et les étoiles sur Terre doivent garder le plasma super chaud exempt de perturbations. Aujourd'hui, des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont découvert un processus qui peut aider à contrôler les perturbations considérées comme les plus dangereuses.

Fusion répliquante, qui libère une énergie illimitée en fusionnant des noyaux atomiques dans l'état de la matière connu sous le nom de plasma, pourrait produire une énergie propre et pratiquement illimitée pour produire de l'électricité pour les villes et les industries du monde entier. Capter et contrôler l'énergie de fusion est donc un défi scientifique et technique clé pour les chercheurs du monde entier.

Création d'îlots magnétiques

Le constat PPPL, signalé dans Lettres d'examen physique , se concentre sur les modes dits de déchirement - instabilités dans le plasma qui créent des îlots magnétiques, une source clé de perturbations plasmatiques. Ces îles, des structures en forme de bulles qui se forment dans le plasma, peuvent se développer et déclencher des événements perturbateurs qui arrêtent les réactions de fusion et endommagent les installations en forme de beignet appelées « tokamaks » qui abritent les réactions.

Les chercheurs ont découvert dans les années 1980 que l'utilisation d'ondes radiofréquences (RF) pour entraîner le courant dans le plasma pouvait stabiliser les modes de déchirure et réduire le risque de perturbations. Cependant, les chercheurs n'ont pas remarqué que de petits changements - ou perturbations - de la température du plasma pourraient améliorer le processus de stabilisation, dès qu'un seuil clé en puissance est dépassé. Le mécanisme physique identifié par PPPL fonctionne comme ceci :

• Les perturbations de température affectent la force de l'entraînement actuel et la quantité de puissance RF déposée dans les îlots.
• Les perturbations et leur impact sur le dépôt de rétroaction de puissance les unes contre les autres de manière complexe ou non linéaire.
• Lorsque le retour se combine avec la sensibilité du variateur de courant aux perturbations de température, l'efficacité du processus de stabilisation augmente.
• Par ailleurs, la stabilisation améliorée est moins susceptible d'être affectée par des lecteurs de courant mal alignés qui ne parviennent pas à atteindre le centre de l'îlot.

L'impact global de ce processus crée ce que l'on appelle techniquement « condensation de courant RF, " ou concentration de puissance RF à l'intérieur de l'îlot qui l'empêche de croître. " Le dépôt de puissance est considérablement augmenté, " a déclaré Allan Reiman, un physicien théoricien au PPPL et auteur principal de l'article. "Lorsque le dépôt de puissance dans l'île dépasse un seuil, il y a un saut de température qui renforce grandement l'effet stabilisant. Cela permet la stabilisation d'îles plus grandes qu'on ne le pensait auparavant. »

Bénéfique pour ITER

Ce processus peut être particulièrement bénéfique pour ITER, le tokamak international en construction en France pour démontrer la faisabilité de la fusion. « On craint que les îles deviennent grandes et causent des perturbations dans ITER, " dit Reiman. " Pris ensemble, ces nouveaux effets devraient faciliter la stabilisation des plasmas ITER.

Reiman a travaillé avec le professeur Nat Fisch, directeur associé des affaires académiques au PPPL et co-auteur du rapport. Fisch avait démontré dans un article historique des années 1970 que les ondes RF pouvaient être utilisées pour entraîner des courants afin de confiner les plasmas de tokamak grâce à un processus désormais appelé « conduite de courant RF ».

Fisch souligne comment « c'est l'article révolutionnaire de Reiman en 1983 qui a prédit que ces courants RF pourraient également stabiliser les modes de déchirure. L'utilisation du courant RF pour la stabilisation des modes de déchirure était peut-être encore plus cruciale pour le programme tokamak que le plasma, ", a déclaré Fisch.

"D'où, " il a dit, "L'article de Reiman de 1983 a essentiellement lancé des campagnes expérimentales sur des tokamaks dans le monde entier pour stabiliser les modes de déchirure." De plus, il ajouta, "Significativement, en plus de prédire la stabilisation des modes de déchirure par RF, l'article de 1983 soulignait également l'importance de la perturbation de la température dans les îlots magnétiques."

Fonctionnalité sous-estimée

Le nouvel article jette un regard neuf sur l'impact de ces perturbations de température sur les îles, une caractéristique qui a été sous-estimée depuis que le document de 1983 l'a souligné. "Nous sommes fondamentalement revenus 35 ans en arrière pour pousser cette pensée un peu plus loin en explorant la physique fascinante et les implications plus larges de la rétroaction positive, " Fisch a déclaré. "Il s'est avéré que ces implications pourraient maintenant être très importantes pour le programme tokamak aujourd'hui."

Les théoriciens ont commencé leurs travaux récents avec un modèle simple et sont passés à des modèles plus complexes pour aborder les questions clés. Ils envisagent désormais de produire une image plus détaillée avec des modèles toujours plus sophistiqués. Ils travaillent également à proposer des campagnes expérimentales qui exposeront ces nouveaux effets. Le soutien à cette recherche provient du DOE Office of Science.