Un obstacle majeur à la production sûre, l'énergie de fusion propre et abondante sur Terre est le manque de compréhension détaillée de la façon dont l'énergie chaude, le gaz plasmatique chargé qui alimente les réactions de fusion se comporte à la périphérie des installations de fusion appelées « tokamaks ». Les récentes percées réalisées par des chercheurs du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont permis de mieux comprendre le comportement du bord plasma hautement complexe dans les tokamaks en forme de beignet sur la voie de la capture de l'énergie de fusion qui alimente le soleil et étoiles. La compréhension de cette région périphérique sera particulièrement importante pour l'exploitation d'ITER, l'expérience internationale de fusion en construction en France pour démontrer la praticité de l'énergie de fusion.

Découverte unique en son genre

L'une des premières découvertes en son genre a été la découverte que la prise en compte des fluctuations turbulentes des champs magnétiques qui confinent le plasma qui alimente les réactions de fusion peut réduire considérablement le flux de particules turbulent près du bord du plasma. Des simulations informatiques montrent que le flux net de particules peut baisser jusqu'à 30 pour cent, malgré le fait que l'amplitude moyenne de la fluctuation de la densité des particules turbulentes augmente de 60 %, ce qui indique que même si les fluctuations de la densité turbulente sont plus virulentes, ils déplacent moins efficacement les particules hors de l'appareil.

Les chercheurs ont développé un code spécialisé appelé "Gkeyll"—prononcé tout comme "Jekyll" dans "The Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde" de Robert Louis Stevenson—qui rend ces simulations réalisables. Le code mathématique, une forme de modélisation appelée « gyrocinétique, " simule l'orbite de particules de plasma autour des lignes de champ magnétique au bord d'un plasma de fusion.

"Notre article récent résume les efforts du groupe Gkeyll dans le domaine de la simulation gyrocinétique, " a déclaré Ammar Hakim, physicien du PPPL, auteur principal d'un article sur la physique des plasmas qui donne un aperçu des réalisations du groupe, basé sur une conférence invitée qu'il a donnée à la conférence de la Division of Plasma Physics (APS-DPP) de l'American Physical Society à l'automne dernier. La recherche, co-écrit par des scientifiques de six institutions, adapte un algorithme de pointe au système gyrocinétique pour développer les « percées numériques clés nécessaires pour fournir des simulations précises, " dit Hakim.

Effort mondial

De telles percées font partie de l'effort mondial pour comprendre la science derrière la production de réactions de fusion sur Terre. Les réactions de fusion combinent des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, État chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui constituent 99 % de l'univers visible, pour générer des quantités massives d'énergie qui pourraient fournir une alimentation pratiquement inépuisable pour générer de l'électricité pour l'humanité.

Noé Mandell, un étudiant diplômé du programme de l'Université de Princeton en physique des plasmas, s'appuie sur les travaux de l'équipe pour développer le premier code gyrocinétique capable de gérer les fluctuations magnétiques dans ce qu'on appelle la couche de raclage du plasma (SOL) au bord des plasmas de tokamak. L'anglais Journal de physique des plasmas a publié et souligné son rapport en tant qu'article vedette .

Mandell explore comment la turbulence plasma de type blob courbe les lignes de champ magnétique, menant à la dynamique des « lignes de champ de danse ». Il constate que les lignes de champ se déplacent généralement en douceur, mais lorsqu'elles dansent, elles peuvent se reconfigurer brusquement en événements de reconnexion qui les font converger et se séparer violemment.

Les découvertes de Mandell sont mieux décrites comme « preuve de concept » en ce qui concerne les fluctuations magnétiques, il a dit. "Nous savons qu'il y a plus d'effets physiques qui doivent être ajoutés au code pour des comparaisons détaillées avec des expériences, mais déjà les simulations montrent des propriétés intéressantes près du bord du plasma, ", a-t-il déclaré. " La capacité à gérer la flexion des lignes de champ magnétique sera également essentielle pour les futures simulations de modes localisés aux bords (ELM), ce que nous aimerions mieux faire pour comprendre les bouffées de chaleur qu'ils provoquent et qui doivent être contrôlées pour éviter d'endommager le tokamak."

Très difficile

Ce qui rend cette découverte unique, c'est que les codes gyrocinétiques précédents ont simulé des blobs SOL mais ont supposé que les lignes de champ étaient rigides, a noté Mandell. L'extension d'un code gyrocinétique pour calculer le mouvement des lignes de champs magnétiques est très difficile sur le plan informatique, nécessitant des algorithmes spéciaux pour s'assurer que deux grands termes s'équilibrent avec une précision supérieure à 1 partie sur un million.

De plus, tandis que les codes qui modélisent la turbulence dans le cœur du tokamak peuvent inclure des fluctuations magnétiques, ces codes ne peuvent pas simuler la région SOL. "Le SOL nécessite des codes spécialisés comme Gkeyll qui peuvent gérer des fluctuations de plasma et des interactions beaucoup plus importantes avec les parois du réacteur, " a déclaré Mandell.

Les prochaines étapes pour le groupe Gkeyll incluront l'étude du mécanisme physique précis qui affecte la dynamique du bord du plasma, un effet probablement lié aux lignes de champ de flexion. "Ce travail fournit des tremplins que je pense très importants, " dit Hakim. " Sans les algorithmes que nous avons créés, ces résultats seraient très difficiles à appliquer à ITER et à d'autres machines."