Une façon dont les scientifiques cherchent à amener sur Terre le processus de fusion qui alimente le soleil et les étoiles est de piéger la chaleur, gaz plasma chargé à l'intérieur d'un dispositif à bobine magnétique de torsion en forme de cruller de petit-déjeuner. Mais l'appareil, appelé un Stellarator, doit être conçu avec précision pour empêcher la chaleur de s'échapper du cœur du plasma où elle alimente les réactions de fusion. Maintenant, Des chercheurs du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont démontré qu'un code informatique avancé pourrait aider à concevoir des stellarateurs qui confinent plus efficacement la chaleur essentielle.

Le code, appelé XGC-S, ouvre de nouvelles portes dans la recherche sur les stellarateurs. « Le principal résultat de nos recherches est que nous pouvons utiliser le code pour simuler à la fois les premiers, ou linéaire, et le comportement turbulent du plasma dans les stellarators, " a déclaré le physicien PPPL Michael Cole, auteur principal de l'article présentant les résultats dans Physique des plasmas . "Cela signifie que nous pouvons commencer à déterminer quelle forme de stellarator contient le mieux de la chaleur et maintient le plus efficacement les conditions 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 et génère des quantités massives d'énergie dans le soleil et les étoiles. Les scientifiques visent à reproduire la fusion dans des dispositifs sur Terre pour une alimentation pratiquement inépuisable d'énergie sûre et propre pour produire de l'électricité.

Les scientifiques du PPPL ont simulé le comportement du plasma à l'intérieur de machines à fusion qui ressemblent à un beignet mais avec des pincements et des déformations qui rendent l'appareil plus efficace, une sorte de forme dite quasi-axisymétrique. Les chercheurs ont utilisé une version mise à jour de XGC, un code de pointe développé au PPPL pour modéliser la turbulence dans les installations de fusion en forme de beignet appelées tokamaks, qui ont une géométrie plus simple. Les modifications apportées par Cole et ses collègues ont permis au nouveau code XGC-S de modéliser également les plasmas dans les stellarators géométriquement plus compliqués.

Les simulations ont montré qu'un type de perturbation limité à une petite zone peut devenir complexe et s'étendre pour remplir un plus grand espace au sein du plasma. Les résultats ont montré que XGC-S pouvait simuler ce type de plasma stellarator plus précisément que ce qui était possible auparavant.

"Je pense que c'est le début d'un développement vraiment important dans l'étude de la turbulence dans les stellarators, " a déclaré David Gates, chef du département des projets avancés à PPPL. "Cela ouvre une grande fenêtre pour obtenir de nouveaux résultats."

Les résultats démontrent la modification réussie du code XGC pour simuler la turbulence dans les stellarators. Le code peut calculer la turbulence dans les stellarators depuis le cœur du plasma jusqu'au bord, fournissant une image plus complète du comportement du plasma.

"La turbulence est l'un des principaux mécanismes provoquant la fuite de chaleur des plasmas de fusion, " a déclaré Cole. "Parce que les stellarateurs peuvent être construits dans une plus grande variété de formes que les tokamaks, nous pourrions peut-être trouver des formes qui contrôlent mieux la turbulence que les tokamaks. Les rechercher en construisant de nombreuses grandes expériences coûte trop cher, nous avons donc besoin de grosses simulations pour les rechercher virtuellement."

Les chercheurs prévoient de modifier davantage le XGC-S pour produire une vision encore plus claire de la façon dont les turbulences provoquent les fuites de chaleur. Plus une image est complète, plus les scientifiques seront proches de simuler des expériences de stellarator dans le domaine virtuel. "Une fois que vous avez un code précis et un ordinateur puissant, changer la conception du stellarator que vous simulez est facile, " a déclaré Cole.