Les scientifiques qui cherchent à apporter sur Terre la fusion qui alimente le soleil et les étoiles doivent contrôler la chaleur, plasma chargé - l'état de la matière composé d'électrons flottants et de noyaux atomiques, ou des ions, qui alimentent les réactions de fusion. Pour les scientifiques qui confinent le plasma dans des champs magnétiques, une tâche clé consiste à cartographier la forme des champs, un processus connu sous le nom de mesure de l'équilibre, ou la stabilité, du plasma. Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), des chercheurs ont proposé une nouvelle technique de mesure pour éviter les problèmes attendus lors de la cartographie des champs sur de futurs grands et puissants tokamaks, ou appareils de fusion magnétique, qui abritent les réactions.

Bombardements de neutrons

De tels tokamaks, dont ITER, la grande expérimentation internationale en construction en France, produira des bombardements de neutrons qui pourraient endommager les diagnostics intérieurs maintenant utilisés pour cartographier les champs dans les installations actuelles. PPPL propose donc l'utilisation d'un système de diagnostic alternatif qui pourrait fonctionner dans des environnements à neutrons élevés.

Le système, un type de diagnostic plasma appelé "Electron Cyclotron Emission (ECE), " mesure la température des électrons circulant autour des lignes de champ. " En utilisant un système ECE, nous pouvons en apprendre davantage sur la température du plasma et sur les fluctuations du plasma, " dit Andrew " Oak " Nelson, un étudiant diplômé en physique des plasmas au PPPL et premier auteur d'un article sur la physique des plasmas et la fusion contrôlée qui rend compte de la recherche. "Cette méthode proposée pourrait être développée en un outil de cartographie autonome ou utilisée avec des outils existants."

La méthode combine les données ECE avec une image de caméra rapide utilisée pour mesurer la limite du plasma. La combinaison fournit "des diagnostics qui peuvent être conçus de manière robuste dans des environnements à neutrons élevés, " selon le papier. Le processus fonctionne comme suit:

• Les chercheurs observent le rayonnement émis par les électrons cycliques;
• Le rayonnement fournit des données sur la température et les modes, ou des instabilités, qui se développent dans le plasma;
• Les données permettent de mesurer le "profil q" - l'hélicité, ou en spirale, du champ magnétique;
• La mesure de l'hélicité permet aux opérateurs du tokamak de cartographier et de contrôler l'équilibre du plasma.

Inverser un processus

Cette technique, que les chercheurs ont testé sur une décharge simulée de l'expérience nationale du tore sphérique (NSTX) à PPPL avant sa mise à niveau, inverse un processus normalement utilisé dans la recherche sur la fusion. "Les gens obtiennent généralement le profil q de l'équilibre, " dit Nelson, "mais notre article montre que vous pouvez également obtenir l'équilibre en connaissant le profil q."

Travaillant en étroite collaboration avec Nelson était son conseiller, le physicien PPPL Egemen Kolemen, professeur adjoint au Département de génie mécanique et aérospatial de l'Université de Princeton. "Oak est un élève extrêmement talentueux, " a déclaré Kolemen. " La méthode qu'il a développée permet de construire l'état du plasma de fusion en utilisant un seul diagnostic, CEE. Cela sera utile pour de nombreux tokamaks dont ITER, car la combinaison de nombreux diagnostics différents est problématique et sujette aux erreurs."

Les chercheurs prévoient maintenant de tester la technique ECE sur une grande variété de décharges plasma. Une technique éprouvée et entièrement développée pourrait fournir un système précieux pour cartographier les champs magnétiques cruciaux dans ITER et les tokamaks de prochaine génération.