Débloquer la danse en zigzag du chaud, les particules de plasma chargées qui alimentent les réactions de fusion peuvent aider à exploiter sur Terre l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles. Au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), un expérimentateur et deux théoriciens ont développé un nouvel algorithme, ou un ensemble de règles informatiques, pour traquer les particules volatiles qui pourraient faire avancer l'arrivée du coffre-fort, source d'énergie propre et pratiquement illimitée.

Interaction étroite

"Il s'agit d'une réussite d'interaction étroite entre théoriciens et expérimentateurs qui montre ce qui peut être fait, " dit Hong Qin, un physicien théoricien principal au PPPL. Lui et Yichen Fu, un étudiant de troisième cycle théorique qu'il conseille, a collaboré sur l'algorithme avec Laura Xin Zhang, un étudiant diplômé expérimental et auteur principal d'un article qui rend compte de la recherche dans la revue Examen physique E . Qin et Fu ont co-écrit l'article.

La fusion alimente le soleil et les étoiles en combinant des éléments légers sous forme de plasma - l'état de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou des ions, qui représente 99% de l'univers visible - pour libérer des quantités massives d'énergie. Les scientifiques du monde entier cherchent à produire une fusion contrôlée sur Terre comme source idéale pour produire de l'électricité.

Le nouvel algorithme PPPL permet de suivre les particules chargées rapidement dans le plasma. Les particules pourraient, par exemple, proviennent de l'injection de faisceaux neutres de haute énergie qui sont décomposés, ou « ionisé » dans le plasma et entrent en collision avec les principales particules du plasma. "Nous nous soucions de cela parce que nous voulons comprendre comment ces particules rapides influencent le plasma, " dit Zhang.

Les faisceaux neutres jouent de nombreux rôles lorsqu'ils sont décomposés en particules de plasma rapides. "Nous les utilisons pour faire toutes sortes de choses, " a dit Zhang. " Ils peuvent chauffer et conduire le courant dans le plasma. Parfois, ils créent des instabilités plasmatiques et parfois ils les réduisent. Nos simulations contribuent toutes à comprendre le comportement de ces particules. »

D'abord un problème

Lorsque Zhang a essayé pour la première fois de simuler les particules rapides, elle a rencontré un problème. Elle a utilisé un algorithme classique qui n'a pas réussi à conserver l'énergie pendant ce que l'on appelle le processus de diffusion à l'angle du tangage des particules entrant en collision. Une telle diffusion est souvent observée dans le plasma de fusion lorsque des électrons entrent en collision avec des ions d'environ 2, 000 fois plus lourdes dans les collisions, comme des balles de ping-pong rebondissant sur des ballons de basket.

Pour Zhang, le problème "était similaire à essayer de simuler l'orbite d'une planète, " se souvient-elle. Tout comme l'énergie d'une orbite ne change pas, "vous voulez un algorithme qui conserve l'énergie des particules de plasma diffusées, " elle a dit.

Conserver cette énergie est essentiel, dit Qin, que Zhang a consulté. « Si un algorithme qui simule le processus ne conserve pas l'énergie des particules, la simulation n'est pas fiable, " dit-il. Il a ainsi imaginé une méthode alternative, un algorithme explicitement résoluble qui conserve l'énergie des particules, que Zhang a ensuite essayé.

"Je suis un expérimentateur dans l'âme et mon approche des problèmes est de l'essayer, " dit-elle. " J'ai donc effectué un tas de simulations et fait toutes sortes d'expériences numériques qui ont montré que l'algorithme fonctionnait mieux que l'algorithme classique qui n'a pas réussi à conserver l'énergie. " Cependant, la méthode alternative n'a pas pu être prouvée théoriquement.

Qin a ensuite remis le problème à l'étudiant diplômé Fu, qui a rassemblé une preuve mathématique intelligente de l'exactitude de l'algorithme qui pourrait devenir une étape vers d'autres solutions.

"L'algorithme que nous avons développé est pour un modèle simplifié, " a déclaré Zhang. " Il supprime plusieurs termes qu'il sera important d'inclure. Mais je vais de l'avant et j'ai pour objectif d'appliquer l'algorithme que nous avons développé à de nouveaux problèmes de physique des plasmas."