Peut-être que le plus grand défi technologique pour récolter sur Terre l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles dans les futurs réacteurs à fusion tokamak sera de contrôler la chaleur extrême qui pourrait frapper le système d'échappement à l'intérieur des appareils. Un tel flux de chaleur, ou fondant, pourrait gravement endommager les parois du divertor au cœur du système d'échappement et arrêter les réactions de fusion dans les installations en forme de beignet.

Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont créé un plan utilisant du lithium liquide pour empêcher toute la force de la chaleur extrême de frapper le divertor et permettre aux tokamaks de continuer à fonctionner. "Il y aura un avertissement et si vous pouvez l'attraper et mettre en œuvre un remède assez rapidement, vous pouvez empêcher l'événement d'endommager le mur du divertor, " a déclaré le physicien Masayuki Ono, auteur principal d'un article dans le Journal of Fusion Energy qui décrit une solution proposée.

Les réactions de fusion combinent 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 physiciens du monde entier cherchent à reproduire et à contrôler de telles réactions pour créer un environnement sûr, source d'énergie propre et pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Énorme énergie stockée

Le problème se pose car l'énergie stockée dans le cœur du plasma qui alimentera les futurs tokamaks devrait être de 1, 000 fois plus que dans les installations utilisées aujourd'hui. Si seulement 1 % de l'énergie stockée s'échappait du cœur d'un futur réacteur et atteignait le divertor, les dégâts pourraient être importants, dit Ono. Un tel événement pourrait être causé par des poussées telles que les modes localisés aux bords (ELM), dans lequel des explosions de chaleur intenses peuvent s'abattre sur les murs faisant face au plasma d'un tokamak. Le remède proposé, conçu avec le coauteur Roger Raman, un physicien de l'Université de Washington en affectation à long terme au PPPL, demande l'injection de pastilles de lithium, un métal argenté clair, dans le divertor au coeur de la zone d'échappement, où le lithium se liquéfierait et rayonnerait fortement. Le rayonnement disperserait une grande partie de la chaleur extrême s'échappant du cœur du plasma et minimiserait la quantité frappant la paroi du divertor.

"L'idée est d'injecter des impuretés légères comme le lithium, bore, ou du béryllium dans la région du divertor afin d'évacuer une grande partie de l'énergie, " expliqua Ono. " L'astuce sera d'entrer assez rapidement pour protéger le divertor avec très peu de rayonnement affectant le cœur du plasma. Vous ne voulez pas injecter trop d'impuretés, juste assez pour faire le travail."

Les chercheurs injectent actuellement du lithium dans des tokamaks avec des des technologies peu coûteuses telles que les injecteurs de pistolet à gaz et un système basé sur des roues à aubes qui injectent en continu un flux de particules. Cependant, Ono et Raman disent que les pistolets à gaz ont tendance à injecter une charge de gaz dans la chambre à vide qui abrite le plasma central, ce qui pourrait causer des problèmes.

Injecteur à grande vitesse

Les auteurs proposent de remplacer les canons à gaz par un "injecteur de particules électromagnétiques" similaire à celui que Raman a développé à l'Université de Washington. « Éviter la charge de gaz inutile avec un temps de réponse rapide contrôlé est particulièrement important, " a déclaré Raman. Le concept proposé resterait en mode veille jusqu'à ce qu'il soit nécessaire, puis injecterait la charge utile radiative sur une échelle de temps rapide.

Les avertissements de flux de chaleur extrême pourraient provenir des éclairs soudains de lumière que les sursauts de chaleur créeraient au bord du plasma. De telles rafales pourraient atteindre le divertor en environ 10 millisecondes. L'injecteur de particules électromagnétiques tirerait rapidement un projectile à grande vitesse dans la région du divertor pour éloigner le flux de chaleur précipité.

Les scientifiques ont déjà appliqué du lithium liquide par une technique différente au bord du plasma dans le National Spherical Torus Experiment (NSTX), le précurseur du National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), l'installation de fusion phare actuelle de PPPL, et a constaté que le métal réduisait le flux de chaleur de pic du divertor. Les auteurs proposent maintenant de tester l'application du lithium avec un injecteur électromagnétique sur le NSTX-U lorsque l'installation sera disponible après avoir terminé les réparations en cours.

Si ce test est réussi, l'application pourrait ensuite être testée sur de futurs tokamaks comme ITER, le tokamak international en cours de développement en France. "C'est un dur, problème difficile, " Ono a dit du contrôle du flux de chaleur extrême. " C'est un problème à longue portée et nous serions sages de nous assurer que nous avons des moyens de minimiser l'impact. "