Les chercheurs ont découvert que l'injection de pastilles de glace d'hydrogène plutôt que de soufflage d'hydrogène gazeux améliore les performances de fusion à l'installation de fusion nationale DIII-D, que General Atomics opère pour le département américain de l'Énergie (DOE). Les études menées par des physiciens basés au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du DOE et au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont comparé les deux méthodes, dans la perspective du ravitaillement qui sera utilisé dans ITER, l'expérience internationale de fusion en construction en France.

Améliorer la température

Les chercheurs ont montré que les pastilles glacées d'hydrogène améliorent la température du plasma de fusion par rapport à la méthode de ravitaillement en gaz désormais généralement utilisée dans les installations de fusion en forme de beignet appelées tokamaks. Des températures plus élevées sont bénéfiques pour les réactions de fusion. Les résultats sur DIII-D sont encourageants pour ITER, qui prévoit d'utiliser l'injection de pastilles pour alimenter son noyau interne chaud.

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma - l'état de la matière qui se compose de noyaux atomiques chargés positivement et d'électrons chargés négativement - pour créer des quantités massives d'énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour un source d'énergie propre et pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

L'un des défis de la production d'énergie de fusion est de savoir comment introduire de l'hydrogène froid dans le cœur du plasma chaud. Le soleil a tout l'hydrogène dont il a besoin pendant des milliards d'années, mais les réacteurs de fusion sur Terre doivent constamment introduire de l'hydrogène dans le plasma pour soutenir les réactions de fusion. Le soufflage de gaz à température ambiante est le moyen le plus courant d'injecter de l'hydrogène dans les expériences actuelles.

Plus gros et plus chaud

Cependant, à mesure que les réacteurs à fusion deviennent plus gros et plus chauds, il deviendra plus difficile pour le gaz de pénétrer dans le cœur du réacteur où se déroulent les réactions de fusion. De nouvelles méthodes doivent donc être développées pour alimenter le cœur de fusion sans dégrader les performances du plasma.

L'effort de recherche conjoint sur le DIII-D a comparé les deux méthodes de ravitaillement dans les plasmas haute performance prévus pour ITER. Les expériences ont révélé une pression de plasma significativement plus élevée - une clé des réactions de fusion - en utilisant de la glace d'hydrogène par rapport à l'injection de gaz lorsque le taux de ravitaillement est à peu près égal entre les deux méthodes.

« Le ravitaillement joue un rôle important dans les performances du plasma de bord, " dit Andrew " Oak " Nelson, un étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de l'Université de Princeton et premier auteur de l'article sur la fusion nucléaire décrivant ces résultats. Nelson fait partie d'une équipe multi-institutionnelle qui a soigneusement conçu et exécuté les expériences.

Les scientifiques de l'ORNL

La technologie d'injection des granules de glace a été développée par des scientifiques de l'ORNL. L'interprétation des résultats expérimentaux nécessite des instruments scientifiques sophistiqués développés par de multiples institutions collaboratrices sur DIII-D. « C'est formidable de voir comment nos efforts multi-institutionnels se sont réunis pour aborder cette question importante du combustible pour ITER et les futurs réacteurs, " a déclaré Morgan Shafer, chercheur principal à l'ORNL et co-auteur de l'article.

La recherche démontre également comment les étudiants diplômés peuvent apporter d'importantes contributions à l'énergie de fusion en travaillant sur ces grandes installations de recherche nationales. « Pour un étudiant diplômé, jouer un rôle important dans cette étude expérimentale sur le DIII-D est impressionnant, " dit Egemen Kolemen, un PPPL et un physicien de l'Université de Princeton qui était un conseiller pour le projet. « Le succès d'Oak montre à quel point les grandes expériences de fusion offrent des opportunités de leadership importantes pour les étudiants et les scientifiques en début de carrière. »