Stellarateurs, des machines sinueuses qui abritent des réactions de fusion, reposent sur des bobines magnétiques complexes qui sont difficiles à concevoir et à construire. Maintenant, un physicien du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) a développé une technique mathématique pour aider à simplifier la conception des bobines, faire des stellarateurs une installation potentiellement plus rentable pour produire de l'énergie de fusion.

"Notre principal résultat est que nous avons mis au point une nouvelle méthode d'identification des champs magnétiques irréguliers produits par les bobines stellarator, " a déclaré le physicien Caoxiang Zhu, auteur principal d'un article présentant les résultats dans La fusion nucléaire . "Cette technique peut vous permettre de savoir à l'avance quelles formes et quels emplacements de bobines pourraient nuire au confinement magnétique du plasma, promettant un temps de construction plus court et des coûts réduits."

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, est la fusion d'éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, qui génère des quantités massives d'énergie. Tordu, Les stellarators en forme de cruller sont une alternative aux tokamaks en forme de beignet qui sont plus couramment utilisés par les scientifiques cherchant à reproduire la fusion sur Terre pour une alimentation pratiquement inépuisable pour générer de l'électricité.

Un avantage clé des stellarators est leur production de plasmas très stables qui sont moins sujets aux perturbations dommageables que les tokamaks peuvent subir. Mais la complexité des bobines Stellarator a été un facteur freinant le développement de telles installations.

Les bobines d'un stellarator doivent être construites et disposées autour de la chambre à vide de manière très précise, étant donné que les écarts par rapport au meilleur arrangement de bobine créent des bosses et des ondulations dans le champ magnétique qui dégradent le confinement magnétique et permettent au plasma de s'échapper. Ces champs magnétiques problématiques peuvent facilement être causés par un mauvais placement des bobines magnétiques, les ingénieurs stipulent donc des tolérances strictes pour ces composants.

« Le grand défi de la construction de stellarators est de savoir comment les fabriquer de manière simple et économique, " a déclaré le scientifique en chef du PPPL Michael Zarnstorff. " Les recherches de Zhu sont importantes car il essaie d'examiner plus attentivement et quantitativement certains des facteurs de coût. Ses résultats suggèrent que nous pouvons simplifier la construction des stellarators et ainsi les rendre plus faciles et moins coûteux à construire, en n'insistant pas sur des tolérances strictes pour les choses qui n'ont pas d'importance."

Autrefois, les scientifiques ont utilisé des simulations informatiques pour déterminer quels placements de bobines seraient les meilleurs, vérifier les réactions du plasma à toutes les configurations magnétiques possibles avant la construction du stellarator. Mais parce qu'il existe de nombreuses façons pour les bobines de varier, « cette approche nécessite des ressources de calcul et des heures de travail massives, " dit Zhu. " Dans ce papier, nous proposons une nouvelle méthode mathématique pour identifier rapidement les déviations dangereuses des bobines qui pourraient apparaître lors de la fabrication et de l'assemblage."

La méthode repose sur une matrice hessienne, un outil mathématique qui permet aux chercheurs de déterminer quelles variations des bobines magnétiques peuvent faire changer les propriétés du plasma. "L'idée est de savoir quelles perturbations vous devez vraiment contrôler ou éviter, et que vous pouvez ignorer, " dit Zhu.

L'équipe a récemment confirmé l'exactitude de la nouvelle méthode en l'utilisant pour analyser les placements de bobines pour une configuration similaire au Columbia Non-Neutral Torus, une petite installation de fusion exploitée par l'Université de Columbia. Ils ont comparé les résultats à ceux produits par des études antérieures reposant sur des méthodes conventionnelles et ont constaté qu'ils étaient d'accord. L'équipe collabore maintenant avec des chercheurs en Chine pour utiliser la méthode pour optimiser le placement de la bobine sur le premier stellaire quasi-axisymétrique chinois (CFQS), actuellement en construction.

La nouvelle technique pourrait aider les scientifiques à concevoir de meilleurs stellarateurs, dit Zhu. Cela pourrait permettre d'identifier un arrangement de bobine optimal que personne n'avait envisagé auparavant.