Les scientifiques du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont approfondi leur compréhension d'une barrière qui peut empêcher les installations de fusion en forme de beignet connues sous le nom de tokamaks de fonctionner à haut rendement en provoquant une perte de chaleur vitale.

Dirigé par le physicien PPPL Roscoe White, l'équipe de recherche a utilisé des ordinateurs pour simuler un type de mouvement du plasma qui peut heurter des particules hautement énergétiques du cœur au bord, un phénomène qui pourrait se produire dans ITER, le tokamak multinational en construction en France pour démontrer la faisabilité de la fusion comme source d'énergie.

"Pour que tout appareil de fusion fonctionne, vous devez vous assurer que les particules hautement énergétiques qu'il contient sont très bien confinées dans le cœur du plasma, " a déclaré Vinícius Duarte, physicien du PPPL, un membre de l'équipe de recherche qui a rapporté les résultats dans Physique des plasmas . "Si ces particules dérivent vers le bord du plasma, vous ne pouvez pas maintenir le plasma brûlant à l'état stable nécessaire pour faire de l'électricité de fusion une réalité."

Duarte fait référence à un phénomène appelé « gazouillis » qui se produit lorsque la fréquence des ondes de plasma qui interagissent avec des particules hautement énergétiques change soudainement, provoquant finalement l'échappement de l'énergie du noyau de plasma et la production de tonalités changeant rapidement. Les nouvelles découvertes, qui élucide les aspects de la formation du gazouillis dans un tokamak, pourrait aider les chercheurs à comprendre comment contrecarrer les gazouillis et conserver la chaleur vitale. Empêcher les changements de fréquence soudains pourrait également protéger les murs du tokamak de la libération soudaine d'éclats d'énergie concentrés et dommageables.

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 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 chercheurs ont utilisé des simulations informatiques montrant des vues très détaillées du mouvement des agglomérations de particules de plasma pour révéler certains des mécanismes responsables du gazouillis, donnant l'espoir que les scientifiques peuvent trouver des moyens d'améliorer ses effets. Les scientifiques ont utilisé le code PPPL ORBIT pour calculer comment la position et la vitesse des particules de plasma changent au fil du temps en trois dimensions. Les simulations ont montré que le gazouillis commence lorsque des particules en mouvement rapide dans le noyau interagissent avec des ondes ondulant à travers le plasma et forment spontanément des amas qui migrent vers le bord du plasma. Les résultats confirment les résultats antérieurs basés sur des configurations de tokamak simplifiées; ils révèlent également des dynamiques plus riches et plus complexes jamais vues auparavant.

Cette interaction avec les particules du plasma fait monter et baisser simultanément la fréquence des ondes dites plasma d'Alfvén, catapultant les amas vers le bord du plasma et parfois dans le mur. « Les outils développés dans cette recherche ont permis d'avoir un aperçu de la complexité, dynamique auto-organisée des chirps dans un tokamak, " dit Duarte.

Les scientifiques ont dû créer de nouveaux outils virtuels pour observer le mouvement des vagues simulées avec les détails nécessaires. "Le plus dur a été d'inventer les diagnostics qui montreraient clairement ce qui se passait, " dit White. " Dans un certain sens, c'est comme construire un microscope qui vous permettra de voir ce que vous devez voir."

Les nouvelles découvertes s'inscrivent dans la continuité d'un effort de longue date des membres du département de théorie PPPL qui se concentre sur la compréhension du gazouillis, en particulier dans le cadre de la mise à niveau de l'expérience nationale sur le tokamak sphérique (NSTX-U) de PPPL. « Si vous le comprenez, " dit Blanc, « vous pouvez trouver des moyens d'exploiter des installations de fusion sans cela. »