Apporter la puissance du soleil sur Terre nécessite une théorie solide, bonne ingénierie, et un peu de finesse. Le procédé implique un piégeage chargé, gaz ultra-chaud connu sous le nom de plasma afin que ses particules puissent fusionner et libérer d'énormes quantités d'énergie. Les installations les plus largement utilisées pour ce processus sont les tokamaks en forme de beignet qui maintiennent le plasma en place avec des aimants puissants qui sont façonnés et positionnés avec précision. Mais des erreurs de mise en forme ou de placement de ces aimants peuvent conduire à un mauvais confinement et à une perte de plasma, arrêter les réactions de fusion.

Maintenant, un groupe international de chercheurs dirigé par des physiciens du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) a développé une technique qui prévoit comment les tokamaks pourraient réagir à ces erreurs magnétiques indésirables. Ces prévisions pourraient aider les ingénieurs à concevoir des installations de fusion qui créent efficacement un approvisionnement pratiquement inépuisable d'énergie de fusion sûre et propre pour produire de l'électricité.

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 et contrôler ce processus sur Terre.

L'équipe a formulé une règle connue sous le nom de loi d'échelle qui permet de déduire les propriétés des futurs tokamaks à partir des appareils actuels. La loi découle en grande partie de trois années d'expériences sur l'installation de fusion nationale DIII-D que General Atomics exploite pour le DOE à San Diego. Les chercheurs se sont également appuyés sur une base de données d'effets de champ d'erreur gérée par le groupe International Tokamak Physics Activity d'ITER, qui coordonne la recherche sur la fusion dans le monde.

Désormais, les données d'appareils supplémentaires avec une gamme de tailles sont nécessaires pour augmenter la confiance dans l'extrapolation de la loi d'échelle pour prédire l'ampleur des champs d'erreur avant de perturber ITER, le tokamak multinational en construction en France pour démontrer la viabilité de l'énergie de fusion.

Formation de champs d'erreur

Des irrégularités dans la mise en forme ou le placement des aimants d'un tokamak peuvent produire des champs d'erreur qui déclenchent une perturbation dans le plasma, l'amenant à s'échapper soudainement des champs magnétiques et à libérer beaucoup d'énergie. "La question est de savoir quelle est la taille d'un champ d'erreur qu'ITER peut tolérer sans perturber, " a déclaré Nikolas Logan, Physicien PPPL et auteur principal d'un article rapportant les résultats dans La fusion nucléaire . "Nous voulons éviter les perturbations dans ITER car elles pourraient à la fois interférer avec les réactions de fusion et endommager les murs."

ITER étant en construction, les chercheurs ont utilisé un mash-up de deux codes informatiques pour modéliser les effets des champs d'erreur sur les plasmas des tokamaks en Corée du Sud, Chine, Le Royaume-Uni, et d'autres pays, renforcement des erreurs jusqu'à rupture des plasmas. Les chercheurs espéraient trouver des modèles leur permettant de formuler une règle simple qui aiderait à faire des conjectures sur les futures perturbations du champ d'erreur dans les tokamaks en cours de construction.

Les codes combinés ont modélisé le plasma avec plus de précision que chaque code individuel ne pourrait le faire seul. Le code TM1 développé par l'institut allemand Max Planck pour la physique des plasmas résout des équations qui modélisent le comportement chaotique du plasma dans des formes cylindriques, tandis que le code IPEC (Ideal Perturbed Equilibrium Code) développé au PPPL modélise le plasma sous la forme d'un tokamak. "En combinant ces codes, nous avons pu simuler un large éventail de conditions qui pourraient se produire dans une variété d'appareils, dont ITER, " a déclaré Qiming Hu, physicien du PPPL, l'un des auteurs de l'article. "Il est important d'obtenir des prévisions précises pour ITER car aucune machine actuelle n'a cette taille."

"Ce travail étend notre connaissance des effets des champs d'erreur dans les dispositifs de fusion, " dit Raffi Nazikian, responsable du département ITER et Tokamak de PPPL. "La combinaison d'analyses numériques et expérimentales fournit une base convaincante pour évaluer l'importance des champs d'erreur dans ITER et les futurs réacteurs."

Prochaines étapes

Logan et Hu espèrent recueillir plus d'informations à partir des expériences de tokamak pour rendre la loi d'échelle plus précise, lui permettant de prévoir les performances du plasma dans les régions de cœur et de bord du plasma. "Ce n'est pas un journal d'alarme, " a déclaré Logan. " Cela aide simplement les physiciens et les ingénieurs à savoir avec quel soin ils doivent considérer les champs d'erreur potentiels avant de mettre beaucoup de puissance dans ITER. "

Les collaborateurs comprenaient des chercheurs de General Atomics, l'Institut de physique des plasmas de l'Académie tchèque des sciences, l'Institut de physique des plasmas de l'Académie chinoise des sciences, Institut national coréen des sciences et de la technologie d'Ulsan, le Culham Center of Fusion Energy du Royaume-Uni, l'italien Consorzio RFX, l'institut allemand Max Planck pour la physique des plasmas, et le Plasma Science and Fusion Center du Massachusetts Institute of Technology.