Les scientifiques qui cherchent à amener la fusion qui alimente le soleil et les étoiles sur Terre doivent faire face à des instabilités en dents de scie - des fluctuations de haut en bas de la pression et de la température centrales du plasma qui alimentent les réactions de fusion, semblable aux lames dentelées d'une scie. Si ces balançoires sont assez grandes, ils peuvent conduire à l'effondrement soudain de toute la décharge du plasma. De telles fluctuations ont été observées pour la première fois en 1974 et ont jusqu'à présent échappé à une théorie largement acceptée qui explique les observations expérimentales.

Conforme aux observations

Des chercheurs du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont proposé une nouvelle théorie pour expliquer les fluctuations qui se produisent dans les tokamaks en forme de beignet, ou des installations de fusion. La théorie, créé à partir de simulations informatiques haute fidélité, semble cohérent avec les observations faites lors des expériences de tokamak, les chercheurs ont dit. La compréhension du processus pourrait s'avérer vitale pour les installations de fusion de nouvelle génération telles qu'ITER, l'expérimentation internationale en construction en France pour démontrer la praticité de l'énergie de fusion.

La fusion combine des 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. Les scientifiques cherchant à reproduire la fusion sur Terre ont l'intention de fournir un approvisionnement pratiquement inépuisable d'énergie sûre et propre pour produire de l'électricité.

Les découvertes récentes démontrent que lorsque la pression dans le cœur du plasma atteint un certain point, d'autres instabilités peuvent être excitées qui produisent des chutes soudaines de pression et de température. Ces instabilités créent des champs magnétiques brouillés ou stochastiques dans le cœur du plasma qui provoquent l'effondrement, dit le physicien Stephen Jardin, auteur principal d'un article décrivant le processus de Physique des plasmas et mis en évidence dans une publication vedette de l'American Institute of Physics intitulée "SciLight".

"La plupart des décharges de tokamak présentent des dents de scie, "Jardin a dit, "et nous essayons de fournir la théorie de la physique derrière eux."

Les nouvelles découvertes s'écartent fortement d'une théorie de longue date selon laquelle la cause des oscillations est une instabilité qui conduit à une reconnexion magnétique - la rupture et la rupture des lignes de champ magnétique dans le plasma. "Cette théorie existe depuis plus de 40 ans, " dit Jardin.

Motiver la nouvelle théorie

La motivation de la nouvelle théorie est la recherche précédente de PPPL qui démontre comment l'instabilité qui était censée conduire à la reconnexion magnétique peut, En réalité, auto-stabilise le plasma. Il le fait en produisant une tension localisée qui empêche le courant dans le noyau du plasma d'atteindre un pic suffisant pour être soumis à une reconnexion magnétique.

La nouvelle explication soutient que même si la reconnexion magnétique est supprimée, une augmentation de la chaleur dans le cœur du plasma peut exciter des instabilités localisées qui agissent ensemble pour aplatir la pression et la température pendant le cycle en dents de scie. Des simulations produites par des codes développés par Jardin et le physicien PPPL Nate Ferraro, un co-auteur de l'article, démontrer ce processus. Les nouvelles instabilités peuvent croître très rapidement, compatible avec l'effondrement rapide de la chaleur observé dans les expériences que la théorie traditionnelle ne peut expliquer.

Ce modèle avancé offre une nouvelle façon de comprendre les phénomènes en dents de scie. Regarder vers l'avant, les scientifiques souhaitent explorer l'applicabilité du modèle à des tâches telles que la description de l'évolution des « dents de scie de monstre » et l'utilisation d'antennes radiofréquences à haute puissance pour contrôler les oscillations en dents de scie. "Nous voulons développer un modèle de simulation d'un plasma de tokamak entier, "Jardin a dit, "et cette nouvelle théorie des dents de scie est une partie importante de l'effort."