Imaginez un avion qui ne peut monter qu'à une ou deux altitudes après avoir décollé. Cette limitation serait similaire à la situation difficile à laquelle sont confrontés les scientifiques qui cherchent à éviter les instabilités qui restreignent le chemin vers le nettoyage, une énergie de fusion sûre et abondante dans des installations de tokamak en forme de beignet. Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) et de General Atomics (GA) du département américain de l'Énergie (DOE) ont maintenant publié une explication révolutionnaire de cette restriction du tokamak et de la façon dont elle peut être surmontée.

toroïdal, ou en forme de beignet, les tokamaks sont sujets à des explosions intenses de chaleur et de particules, appelés modes localisés au bord (ELM). Ces ELM peuvent endommager les parois du réacteur et doivent être contrôlés pour développer une puissance de fusion fiable. Heureusement, les scientifiques ont appris à apprivoiser ces ELM en appliquant des champs magnétiques ondulés en spirale à la surface du plasma qui alimente les réactions de fusion. Cependant, l'apprivoisement des ELM nécessite des conditions très particulières qui limitent la flexibilité opérationnelle des réacteurs tokamak.

Suppression de l'ELM

Maintenant, les chercheurs de PPPL et GA ont développé un modèle qui, pour la première fois, reproduit avec précision les conditions de suppression de l'ELM dans l'installation de fusion nationale DIII-D que GA exploite pour le DOE. Le modèle prédit les conditions dans lesquelles la suppression de l'ELM devrait s'étendre sur une plus large gamme de conditions d'exploitation dans le tokamak qu'on ne le pensait auparavant. Le travail présente des prédictions importantes sur la façon d'optimiser l'efficacité de la suppression des ELM dans ITER, le gigantesque dispositif international de fusion en construction dans le sud de la France pour démontrer la faisabilité de l'énergie de fusion.

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, combine 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. Les tokamaks sont les dispositifs les plus utilisés par les scientifiques cherchant à reproduire la fusion en tant qu'énergie renouvelable, source sans carbone d'énergie pratiquement illimitée pour produire de l'électricité.

Les physiciens PPPL Qiming Hu et Raffi Nazikian sont les principaux auteurs d'un article décrivant le modèle en Lettres d'examen physique . Ils notent que dans des conditions normales, le champ magnétique ondulé ne peut supprimer les ELM que pour des valeurs très précises du courant de plasma qui produit les champs magnétiques qui confinent le plasma. Cela crée un problème car les réacteurs tokamak doivent fonctionner sur une large plage de courant de plasma pour explorer et optimiser les conditions requises pour générer de l'énergie de fusion.

Modification des ondulations magnétiques

Les auteurs montrent comment, en modifiant la structure des ondulations magnétiques hélicoïdales appliquées au plasma, Les ELM devraient être éliminés sur une plus large plage de courant plasma avec une génération améliorée de puissance de fusion. Hu a déclaré qu'il pensait que les résultats pourraient fournir à ITER la grande flexibilité opérationnelle dont il aura besoin pour démontrer la faisabilité de l'énergie de fusion. "Ce modèle pourrait avoir des implications importantes pour la suppression des ELM dans ITER, " il a dit.

En effet, "Ce que nous avons fait, c'est de prédire avec précision quand nous pouvons obtenir une suppression ELM sur des plages plus larges du courant plasma, " dit Nazikian, qui supervise la recherche PPPL sur les tokamaks. "En essayant de comprendre certains résultats étranges que nous avons vus sur DIII-D, nous avons découvert la physique clé qui contrôle la plage de suppression ELM qui peut être obtenue en utilisant ces champs magnétiques ondulés en hélice. Nous sommes ensuite revenus et avons trouvé une méthode qui pourrait produire des fenêtres opérationnelles plus larges de suppression ELM de manière plus routinière dans DIII-D et ITER. »

Opération tokamak améliorée

Les résultats ouvrent la porte à un fonctionnement amélioré du tokamak. "Ce travail décrit une voie pour étendre l'espace opérationnel pour contrôler l'instabilité des bords dans les tokamaks en modifiant la structure des ondulations, " a déclaré Carlos Paz-Soldan, un scientifique de GA et un co-auteur de l'article. "Nous sommes impatients de tester ces prédictions avec nos bobines de champ améliorées qui sont prévues pour DIII-D dans quelques années."

Revenant à l'analogie avec l'avion, "Si vous pouviez voler à une ou deux altitudes différentes, les déplacements seraient très limités, " a déclaré Brian Grierson, physicien du PPPL, un co-auteur de l'article. "La correction de la restriction permettrait à l'avion de survoler une large gamme d'altitudes afin d'optimiser sa trajectoire de vol et de remplir sa mission." De la même manière, le présent article présente une approche qui devrait étendre les capacités des réacteurs à fusion à fonctionner sans ELM susceptibles d'endommager les installations et d'entraver le développement de tokamaks pour l'énergie de fusion.