Le domaine de la recherche sur la fusion magnétique a des mystères à revendre. Comment confiner du combustible plasma turbulent dans une chambre à vide en forme de beignet, le rendant suffisamment chaud et dense pour que la fusion ait lieu, a généré des questions – et des réponses – pendant des décennies.

En tant qu'étudiant diplômé sous la direction de la professeure Anne White du Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires, Pablo Rodriguez-Fernandez Ph.D. '19 a été intrigué par un mystère de recherche sur la fusion qui n'avait pas été résolu depuis 20 ans. Ses nouvelles observations et la modélisation ultérieure ont aidé à fournir la réponse, ce qui lui a valu le prix Del Favero.

L'objectif de sa thèse est la turbulence du plasma, et comment la chaleur est transportée du cœur chaud au bord du plasma dans un tokamak. Des expériences sur 20 ans ont montré que, dans certaines circonstances, le refroidissement du bord du plasma a pour résultat que le cœur devient plus chaud.

"Quand vous refroidissez le bord du plasma en injectant des impuretés, ce que toutes les théories et intuitions standard vous diraient, c'est qu'une impulsion froide se propage à l'intérieur, de sorte que la température centrale finira par baisser également. Mais ce que nous avons observé, c'est que, dans certaines conditions quand on baisse la température du bord, le noyau est devenu plus chaud. C'est une sorte de chauffage par refroidissement."

L'observation contre-intuitive n'était étayée par aucune théorie existante sur le comportement du plasma.

"Le fait que notre théorie ne puisse pas expliquer quelque chose qui arrive si souvent dans les expériences nous fait remettre en question ces modèles, " dit Rodriquez-Fernandez. " Devrions-nous leur faire confiance pour prédire ce qui se passera dans les futurs dispositifs de fusion ? "

Ces modèles ont servi de base pour prédire les performances du tokamak Alcator C-Mod du Plasma Science and Fusion Center, qui n'est plus en service. Ils sont actuellement utilisés pour ITER, la machine de nouvelle génération en construction en France, et SPARC, le tokamak que le PSFC poursuit avec Commonwealth Fusion Systems.

Pour résoudre le mystère, Rodriguez-Fernandez a appris un codage complexe qui lui permettrait d'exécuter des simulations des expériences de refroidissement des bords. Lorsqu'il a refroidi manuellement le bord dans ses premières simulations, cependant, ses modèles n'ont pas réussi à reproduire l'échauffement du cœur observé dans les expériences réelles.

En étudiant attentivement les données des expériences Alcator C-Mod, Rodriguez-Fernandez s'est rendu compte que les impuretés injectées pour refroidir le plasma perturbent non seulement la température, mais chaque paramètre, y compris la densité.

"Nous perturbons la densité parce que nous introduisons plus de particules dans le plasma. Je regardais les données de l'Alcator C-Mod et je voyais tout le temps ces bosses de densité. Les gens les ignorent depuis toujours."

Avec de nouvelles perturbations de densité à introduire dans sa simulation, il a pu simuler l'échauffement du cœur qui avait été observé dans tant d'expériences à travers le monde pendant plus de deux décennies. Ces résultats sont devenus la base d'un article dans Lettres d'examen physique ( PRL ).

Pour renforcer sa thèse, Rodriguez-Fernandez souhaitait utiliser le même modèle pour prédire la réponse au refroidissement des bords dans un tokamak très différent, le DIII-D à San Diego, Californie. À l'époque, ce tokamak n'avait pas la capacité de faire une telle expérience, mais l'équipe du MIT, dirigé par le chercheur scientifique Nathan Howard, installé un nouveau système d'ablation laser pour injecter des impuretés et des impulsions froides dans la machine. Les expériences ultérieures menées sur DIII-D ont montré que les prédictions étaient exactes.

"C'était une preuve supplémentaire que ma réponse au mystère et mes simulations prédictives étaient correctes, " explique Rodriguez-Fernandez. " Le fait que nous puissions reproduire le chauffage du cœur par refroidissement des bords dans une simulation, et pour plus d'un tokamak, signifie que nous pouvons comprendre la physique derrière le phénomène. Et ce qui est plus important, cela nous donne l'assurance que les modèles que nous avons pour C-Mod et SPARC ne sont pas faux."

Rodriquez-Fernandez note l'excellent environnement collégial au PSFC, ainsi qu'un solide réseau de collaboration externe. Ses collaborateurs incluent Gary Staebler chez General Atomics, domicile de DIII-D, qui est l'auteur du modèle de transport de fluide Trapped Gyro-Landau utilisé pour ses simulations ; Les chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton Brian Grierson et Xingqiu Yuan, qui sont des experts d'un outil de modélisation appelé TRANSP qui a été d'une valeur inestimable pour son travail ; et Clemente Angioni à l'Institut Max-Planck de physique des plasmas à Garching, Allemagne, dont les expériences sur le tokamak ASDEX Upgrade ont soutenu les conclusions de l'article PRL.

Désormais post-doctorant au PSFC, Rodriguez-Fernandez consacre la moitié de son temps à SPARC et l'autre moitié à DIII-D et ASDEX Upgrade. Avec tous ces projets, il utilise les simulations de son doctorat. thèse pour développer des techniques de prédiction et d'optimisation des performances du tokamak.

Le postdoctorant admet que le timing de sa thèse n'aurait pas pu être mieux, juste au moment où le projet SPARC prenait de l'ampleur. Il a rapidement rejoint l'équipe qui conçoit l'appareil et travaille sur les bases de la physique.

Dans le cadre de la cérémonie du 5 décembre où Rodriguez Fernandez recevra le prix de thèse Del Favero, il discutera de la façon dont sa recherche de thèse est liée à ses travaux actuels sur la prédiction de la performance SPARC. Fondée en 2014 grâce à un généreux don de l'ancien James Del Favero SM '84, le prix est décerné chaque année à un doctorant. diplômé en SNG dont la thèse est considérée comme ayant fait l'avancée la plus innovante dans le domaine des sciences et de l'ingénierie nucléaires.

"C'est très excitant, " dit-il. " Le projet SPARC me motive vraiment. Je vois un avenir ici pour moi, et pour la fusion."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.