Un défi pour créer de l'énergie de fusion sur Terre consiste à piéger le gaz chargé connu sous le nom de plasma qui alimente les réactions de fusion dans un champ magnétique puissant et à maintenir le plasma aussi chaud et dense que possible aussi longtemps que possible. Maintenant, Des scientifiques du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont acquis de nouvelles connaissances sur un type courant de hoquet connu sous le nom d'instabilité en dents de scie qui refroidit le plasma chaud au centre et interfère avec les réactions de fusion. Ces découvertes pourraient aider à rapprocher l'énergie de fusion de la réalité.

"Les modèles conventionnels expliquent la plupart des cas de collisions en dents de scie, mais il y a un sous-ensemble tenace d'observations que nous n'avons jamais été en mesure d'expliquer, " a déclaré Christopher Smiet, physicien du PPPL, auteur principal d'un article présentant les résultats dans La fusion nucléaire . "Expliquer ces événements inhabituels comblerait une lacune dans la compréhension du phénomène en dents de scie qui existe depuis près de 40 ans."

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, ce faisant, génère des quantités massives d'énergie dans le soleil et les étoiles. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion dans des dispositifs sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable d'énergie sûre et propre pour produire de l'électricité.

Les chercheurs savent depuis des décennies que la température au cœur du plasma de fusion augmente souvent lentement et peut ensuite chuter soudainement, un événement indésirable car la température plus froide réduit l'efficacité. La théorie dominante est que l'accident se produit lorsqu'une quantité appelée facteur de sécurité, qui mesure la stabilité du plasma, tombe à une mesure proche de 1. Le facteur de sécurité se rapporte à la quantité de torsion dans le champ magnétique dans les installations de fusion de tokamak en forme de beignet.

Cependant, certaines observations suggèrent que le crash de température se produit lorsque le facteur de sécurité chute à environ 0,7. Ceci est assez surprenant et ne peut pas être expliqué par les théories les plus largement acceptées.

La nouvelle vision, venant non pas de la physique des plasmas mais des mathématiques abstraites, montre que lorsque le facteur de sécurité prend des valeurs spécifiques, dont un proche de 0,7, le champ magnétique dans le noyau de plasma peut changer en une configuration différente appelée alternance hyperbolique. « Dans cette topologie, le plasma est perdu dans le coeur, " Smiet dit. "Le plasma est expulsé du centre dans des directions opposées. Cela conduit à une nouvelle façon pour la cage magnétique de se fissurer partiellement, pour que la température à cœur chute brutalement, et que le processus se répète à mesure que le champ magnétique et la température se rétablissent lentement."

Les nouvelles connaissances suggèrent une nouvelle direction de recherche passionnante pour conserver plus de chaleur dans le plasma et produire des réactions de fusion plus efficacement. "Si nous ne pouvons pas expliquer ces observations aberrantes, alors nous ne comprenons pas tout à fait ce qui se passe dans ces machines, " A déclaré Smiet. " Contrer l'instabilité en dents de scie peut conduire à produire plus de chaleur, plasmas plus sinueux et nous rapprochent de la fusion."

Ce modèle est né d'une recherche mathématique purement abstraite. Smiet a trouvé un moyen mathématique de décrire le champ magnétique au centre d'un tokamak. Toutes les configurations possibles peuvent alors être associées à une structure algébrique appelée groupe de Lie. "Les mathématiques sont vraiment très belles, " dit Smiet. " Ce groupe mathématique vous donne une vue d'ensemble de toutes les configurations magnétiques possibles et quand une configuration peut changer en une autre. "

Le nouveau modèle montre que l'une des fois où la configuration magnétique d'un tokamak peut changer, c'est lorsque le facteur de sécurité tombe précisément aux deux tiers, ou 0,666. "C'est étrangement proche de la valeur de 0,7 qui a été vue dans les expériences, en particulier lorsque l'incertitude expérimentale est prise en compte, " a déclaré Smiet. " L'une des plus belles parties de ces résultats, " il a dit, « est-ce qu'ils sont venus juste de nouilles avec les mathématiques pures. »

Smiet espère vérifier le nouveau modèle en réalisant des expériences sur un tokamak. "Les mathématiques nous ont montré ce qu'il faut chercher, " il a dit, "Alors maintenant nous devrions pouvoir le voir."