Une équipe de l'installation nationale de fusion DIII-D dirigée par un physicien de William &Mary a fait un progrès significatif dans la compréhension de la physique qui représente une étape clé vers l'énergie de fusion pratique.

L'oeuvre, publié dans un article de la revue La fusion nucléaire , aide à mieux expliquer la relation entre trois variables — turbulence plasma, le transport des électrons à travers le plasma et la densité électronique dans le noyau. Parce que ces facteurs sont des éléments clés de la réaction de fusion, cette compréhension pourrait améliorer considérablement la capacité de prédire les performances et l'efficacité des plasmas de fusion, une étape nécessaire vers la réalisation de centrales à fusion commerciales.

"Nous savons depuis un certain temps qu'il existe une relation entre la densité électronique du noyau, collisions électron-ion et mouvement des particules dans le plasma, " a déclaré Saskia Mordijck de William &Mary, qui a dirigé l'équipe de recherche multi-institutionnelle du DIII-D. "Malheureusement, jusqu'à présent, la recherche n'a pas été en mesure de démêler cette relation des autres composants qui affectent les modèles de densité électronique. »

Mordijck, professeur adjoint au département de physique de William &Mary, note qu'en plus de l'effort international au DIII-D, W&M a contribué à des expériences similaires dans l'Union européenne.

DIII-D, que General Atomics exploite en tant qu'installation d'utilisateurs nationale pour le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie, est le plus grand centre de recherche sur la fusion magnétique du pays. Il accueille des chercheurs de plus de 100 institutions à travers le monde, dont 40 universités. Le cœur de l'installation est un tokamak qui utilise de puissants électro-aimants pour produire une enceinte magnétique en forme de beignet pour confiner un plasma de fusion. En DIII-D, des températures plasmatiques plus de 10 fois supérieures à celles du Soleil sont régulièrement atteintes. À des températures aussi élevées, les isotopes d'hydrogène peuvent fusionner et libérer de l'énergie.

Dans un tokamak, la puissance de fusion est déterminée par la température, densité du plasma et temps de confinement. Gain de fusion, exprimé par le symbole Q, est le rapport entre la puissance de fusion et la puissance d'entrée requise pour maintenir la réaction et est donc un indicateur clé de l'efficacité de l'appareil. À Q =1, le seuil de rentabilité est atteint, mais à cause des pertes de chaleur, les plasmas auto-entretenus ne sont pas atteints avant environ Q =5. Les systèmes actuels ont atteint des valeurs extrapolées de Q =1,2. L'expérience ITER en construction en France devrait atteindre Q =10, mais les centrales à fusion commerciales devront probablement atteindre des valeurs Q encore plus élevées pour être économiques.

Parce que la densité électronique dans le cœur du plasma est un élément critique du gain de fusion, les scientifiques développent des méthodes pour atteindre des densités maximales plus élevées. Une approche précédemment identifiée et prometteuse consiste à réduire les collisions électron-ion, un paramètre que les physiciens des plasmas appellent collisionalité. Cependant, les recherches précédentes n'ont pas été en mesure d'établir la relation exacte entre le pic de densité et la collisionnalité, ni isoler l'effet d'autres caractéristiques du plasma.

L'équipe DIII-D a mené une série d'expériences dans lesquelles seule la collisionnalité du plasma était modifiée tandis que les autres paramètres étaient maintenus constants. Les résultats ont démontré qu'une faible collisionnalité améliore la densité électronique maximale grâce à la formation d'une barrière interne au mouvement des particules à travers le plasma, qui à son tour a modifié la turbulence du plasma. Des travaux antérieurs avaient suggéré que l'effet pourrait être dû au chauffage du plasma par injection de faisceau neutre, mais les expériences montrent qu'il était lié au transport de particules et à la turbulence.

"Ces travaux améliorent considérablement la compréhension du comportement des électrons dans le cœur du plasma, qui est un domaine de grande importance pour augmenter le gain de fusion, " a déclaré David Hill, directeur de DIII-D. "C'est une autre étape importante vers l'énergie de fusion pratique dans les futurs réacteurs commerciaux."