Les scientifiques ont trouvé un nouveau moyen d'empêcher les bulles magnétiques embêtantes dans le plasma d'interférer avec les réactions de fusion, offrant ainsi un moyen potentiel d'améliorer les performances des dispositifs d'énergie de fusion. Et cela vient de la gestion des ondes radiofréquences (RF) pour stabiliser les bulles magnétiques, qui peuvent s'étendre et créer des perturbations qui peuvent limiter les performances d'ITER, l'installation internationale en construction en France pour démontrer la faisabilité de la fusion.

Îles magnétiques

Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont développé le nouveau modèle de contrôle de ces bulles magnétiques, ou des îles. La nouvelle méthode modifie la technique standard consistant à déposer régulièrement des rayons radio (RF) dans le plasma pour stabiliser les îlots, une technique qui s'avère inefficace lorsque la largeur d'un îlot est petite par rapport à la taille caractéristique de la région sur laquelle le rayon RF se dépose. sa puissance.

Cette région désigne la "longueur d'amortissement, " la zone sur laquelle la puissance RF serait généralement déposée en l'absence de tout retour non linéaire. L'efficacité de la puissance RF peut être considérablement réduite lorsque la taille de la région est supérieure à la largeur de l'îlot - une condition appelée " faible -amortissement" - une grande partie de la puissance s'échappe alors de l'île.

Tokamaks, des installations de fusion en forme de beignet pouvant rencontrer de tels problèmes, sont les dispositifs les plus largement utilisés par les scientifiques du monde entier qui cherchent à produire et à contrôler des réactions de fusion pour fournir un approvisionnement pratiquement inépuisable d'énergie sûre et propre pour produire de l'électricité. De telles réactions combinent des éléments légers sous forme de plasma - l'état de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui constituent 99% de l'univers visible - pour générer les quantités massives d'énergie qui entraînent le soleil et les étoiles.

Surmonter le problème

Le nouveau modèle prédit que le dépôt des rayons sous forme d'impulsions plutôt que de flux en régime permanent peut surmonter le problème des fuites, dit Suying Jin, un étudiant diplômé du programme de Princeton en physique des plasmas basé à PPPL et auteur principal d'un article qui décrit la méthode dans Physique des plasmas . "La pulsation peut également atteindre une stabilisation accrue dans les cas à amortissement élevé pour la même puissance moyenne, " elle a dit.

Pour que ce processus fonctionne, "la pulsation doit se faire à une cadence qui n'est ni trop rapide ni trop lente, ", a-t-elle déclaré. "Ce point idéal doit être compatible avec le taux de dissipation de la chaleur de l'île par diffusion."

Le nouveau modèle s'appuie sur les travaux antérieurs des co-auteurs et conseillers de Jin, Allan Reiman, un Distinguished Research Fellow au PPPL, et le professeur Nat Fisch, directeur du programme de physique des plasmas à l'Université de Princeton et directeur associé des affaires académiques au PPPL. Leur recherche fournit le cadre non linéaire pour l'étude du dépôt de puissance RF pour stabiliser les îlots magnétiques.

"L'importance du travail de Suying, " dit Reiman, « est-ce qu'il élargit considérablement les outils qui peuvent être mis à contribution sur ce qui est maintenant reconnu comme peut-être le problème clé auquel est confrontée la fusion économique en utilisant l'approche tokamak. Les tokamaks sont en proie à ces îles instables et naturelles, ce qui conduit à une perte désastreuse et soudaine du plasma."

Fisch a ajouté :« Le travail de Suying suggère non seulement de nouvelles méthodologies de contrôle ; son identification de ces effets nouvellement prédits peut nous obliger à réévaluer les résultats expérimentaux passés dans lesquels ces effets pourraient avoir joué un rôle non apprécié. Son travail motive maintenant des expériences spécifiques qui pourraient clarifier les mécanismes en jeu et indiquent exactement comment contrôler au mieux ces instabilités désastreuses. »

Modèle d'origine

Le modèle original de dépôt RF a montré qu'il augmente la température et entraîne le courant au centre d'une île pour l'empêcher de croître. Une rétroaction non linéaire intervient alors entre le dépôt de puissance et les changements de température de l'îlot, ce qui permet une stabilisation considérablement améliorée. Ces changements de température sont régis par la diffusion de la chaleur du plasma au bord de l'île.

Cependant, dans les régimes à fort amortissement, où la longueur d'amortissement est inférieure à la taille de l'îlot, ce même effet non linéaire peut créer un problème appelé « ombrage » lors d'un dépôt en régime permanent, ce qui fait que le rayon RF s'épuise avant qu'il n'atteigne le centre de l'îlot.

"Nous avons d'abord étudié les schémas RF pulsés pour résoudre le problème de l'ombrage, " dit Jin. " Cependant, il s'est avéré que dans les régimes à amortissement élevé, la rétroaction non linéaire provoque en fait des impulsions pour exacerber l'ombrage, et le rayon s'épuise encore plus tôt. Nous avons donc renversé le problème et constaté que l'effet non linéaire peut alors provoquer des impulsions pour réduire la fuite de puissance hors de l'île dans les scénarios de faible amortissement. »

Ces tendances prédites se prêtent naturellement à une vérification expérimentale, dit Jin. « De telles expériences, " a-t-elle noté, « viserait à montrer que la pulsation augmente la température d'une île jusqu'à ce que la stabilisation optimale du plasma soit atteinte. »