Comment démarrez-vous une réaction de fusion, le processus qui éclaire le soleil et les étoiles, sur Terre? Comme allumer une allumette pour allumer un feu, vous produisez d'abord du plasma, l'état de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui alimente les réactions de fusion, et l'élever à des températures rivalisant avec le soleil en quelques centaines de millisecondes.

Physiciens du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), en collaboration avec des chercheurs du Culham Center for Fusion Energy (CCFE) au Royaume-Uni, ont construit un cadre de simulation pour développer et tester les recettes de démarrage du plasma pour la mise à niveau de l'expérience nationale du torus sphérique (NSTX-U) au PPPL et la mise à niveau du tokamak sphérique Mega Ampere (MAST-U) au CCFE. "Il s'agit d'un outil pour aider un opérateur à concevoir une recette de démarrage réussie avant de s'asseoir dans le siège du conducteur à NSTX-U ou MAST-U, " a déclaré le physicien Devon Battaglia, qui dirige l'équipe d'opérateurs sur l'expérience NSTX-U et est l'auteur principal d'un article décrivant le modèle dans la revue La fusion nucléaire .

Fusion des particules de plasma

La fusion fusionne les particules de plasma pour libérer des quantités massives d'énergie. Les scientifiques du monde entier cherchent à reproduire le processus céleste pour produire un coffre-fort, nettoyer, et une réserve d'énergie pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

La recette typique pour former un plasma dans des dispositifs de fusion magnétique appelés tokamaks commence par appliquer une tension à travers un gaz injecté dans un champ magnétique puissant. Le gaz devient plasma en quelques millisecondes et chauffe rapidement jusqu'à des millions de degrés. Créer la meilleure recette pour un démarrage réussi nécessite un réglage fin de la pression du gaz avec une évolution cohérente des champs électriques et magnétiques, une tâche délicate qui incombe à l'opérateur.

La nouvelle capacité de simulation permet aux opérateurs d'atteindre rapidement cet équilibre, réduisant considérablement le temps passé à effectuer des expériences pour trouver une recette qui fonctionne.

Les chercheurs ont dérivé et validé les modèles du cadre de simulation par rapport aux données collectées lors d'expériences passées sur le NSTX-U et son prédécesseur, et le prédécesseur de MAST-U. Battaglia a travaillé en étroite collaboration avec les physiciens du CCFE pour développer le nouveau modèle, faire du papier un effort commun, et s'y rendra à nouveau pour le démarrage prévu de MAST-U.

« La décomposition du plasma est une étape clé pour MAST-U et le travail de Devon fournit des informations précieuses sur la meilleure voie pour parvenir au démarrage, " a déclaré le physicien Andrew Thornton, opérateur principal au MAST-U et co-auteur de l'article. « Avoir l'expertise de Devon sur place lorsque nous redémarrerons sera extrêmement précieux car il a effectué des expériences similaires sur NSTX-U qui peuvent guider les efforts sur MAST-U. »

Fournir de nouvelles perspectives

Le développement du modèle fournit de nouvelles informations sur le démarrage de tokamaks sphériques tels que NSTX-U et MAST-U, qui ont la forme de pommes évidées plutôt que la forme de beignet des tokamaks conventionnels plus largement utilisés. Le processus de constitution du cadre de simulation a également contribué aux efforts de développement d'outils de calcul pour la première opération d'ITER, le tokamak international en construction en France pour démontrer la praticité de l'énergie de fusion.