Un obstacle clé au contrôle sur Terre de la fusion qui alimente le soleil et les étoiles est la fuite d'énergie et de particules du plasma, le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui alimente les réactions de fusion. Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les physiciens se sont concentrés sur la validation de simulations informatiques qui prévoient les pertes d'énergie causées par le transport turbulent pendant les expériences de fusion.

Les chercheurs ont utilisé des codes développés à General Atomics (GA) à San Diego pour comparer les prédictions théoriques du transport turbulent des électrons et des ions avec les résultats de la première campagne du laboratoire de l'expérience-mise à niveau compacte - ou "faible rapport d'aspect" - National Spherical Torus (NSTX -U). GÉORGIE, qui exploite l'installation de fusion nationale DIII-D pour le DOE, a développé des codes bien adaptés à cet effet.

Les tokamaks à faible allongement ont la forme de pommes évidées, contrairement aux tokamaks conventionnels plus largement utilisés qui ont la forme de beignets.

Des codes à la pointe de la technologie

"Nous avons des codes de pointe basés sur une théorie sophistiquée pour prédire le transport, " a déclaré le physicien Walter Guttenfelder, auteur principal d'un La fusion nucléaire document qui rapporte les conclusions d'une équipe de chercheurs. "Nous devons maintenant valider ces codes sur un large éventail de conditions pour être sûrs que nous pouvons utiliser les prédictions pour optimiser les expériences présentes et futures."

L'analyse du transport observé dans les expériences NSTX-U a révélé qu'un facteur majeur derrière les pertes était la turbulence qui rendait le transport des électrons « anormal, " ce qui signifie qu'ils se propagent rapidement, semblable à la façon dont le lait se mélange au café lorsqu'il est agité par une cuillère. Les codes GA prédisent que la cause de ces pertes est un mélange complexe de trois types différents de turbulence.

Les découvertes observées ont ouvert un nouveau chapitre dans le développement des prédictions du transport dans les tokamaks à faible allongement, un type d'installation de fusion qui pourrait servir de modèle pour les réacteurs de fusion de prochaine génération qui combinent des éléments légers sous forme de plasma pour produire de l'énergie. . Les scientifiques du monde entier cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour une réserve d'énergie pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Les chercheurs du PPPL visent désormais à identifier les mécanismes à l'origine du transport anormal d'électrons dans un tokamak compact. Les simulations prédisent qu'une telle perte d'énergie provient de la présence de trois types distincts de turbulences complexes :deux types avec des longueurs d'onde relativement longues et un troisième avec des longueurs d'onde d'une fraction de la taille des deux plus grandes.

L'impact de l'un des deux types d'ondes longues, qui se trouve typiquement au cœur des tokamaks à faible allongement ainsi qu'à la périphérie du plasma dans les tokamaks conventionnels, doit être pleinement pris en compte lors de la prédiction du transport à faible rapport hauteur/largeur.

Défi à simuler

Cependant, l'impact combiné des trois types de turbulence est un défi à simuler puisque les scientifiques étudient normalement les différentes longueurs d'onde séparément. Des physiciens du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment effectué des simulations multi-échelles et leurs travaux mettent en évidence le temps considérable que nécessitent ces simulations pour les superordinateurs.

Les chercheurs doivent maintenant tester des simulations supplémentaires pour parvenir à un accord plus complet entre les prédictions de transport et les expériences sur les plasmas dans les tokamaks à faible allongement. Ces comparaisons comprendront des mesures de turbulence prises par les coauteurs de l'Université du Wisconsin-Madison La fusion nucléaire papier qui limitera mieux les prédictions. Un accord amélioré fournira l'assurance des prévisions de perte d'énergie pour les installations actuelles et futures.