Le cœur d'un réacteur à fusion est incroyablement chaud. L'hydrogène qui s'en échappe inévitablement doit être refroidi sur son chemin vers le mur, sinon, la paroi du réacteur serait endommagée. Des chercheurs de l'institut néerlandais DIFFER et du Swiss Plasma Center de l'EPFL ont mis au point une méthode de mesure et de contrôle stricte pour le refroidissement des particules très chaudes s'échappant des plasmas de fusion.

L'énergie de fusion est une source d'énergie durable prometteuse. Dans un réacteur à fusion, le plasma d'hydrogène extrêmement chaud est maintenu en suspension par des champs magnétiques. Cependant, il y a toujours une fraction qui s'échappe. Pour éviter qu'il n'endommage la cuve du réacteur, l'hydrogène échappé doit être refroidi sur son chemin vers le mur.

Le refroidissement peut être réalisé de différentes manières, par exemple en injectant un gaz. "Mais si vous injectez trop de gaz supplémentaire, le plasma est trop refroidi, ce qui réduit les performances, " dit Christian Theiler (Swiss Plasma Center, EPFL), co-auteur d'une étude publiée dans Communication Nature . Il est donc nécessaire de gérer en permanence le refroidissement jusqu'à ce que le réacteur puisse faire face de manière adéquate. Matthijs van Berkel (DIFFER) :"La capacité de contrôler le refroidissement avec précision est explicitement mentionnée dans le programme européen de fusion (EUROfusion) comme une étape nécessaire vers l'énergie de fusion. C'est fantastique que nous puissions y contribuer maintenant." Dans Communication Nature , les auteurs décrivent comment refroidir les particules qui s'échappent de manière rapide et contrôlée avec un système de contrôle de rétroaction innovant. Les expérimentations ont été menées dans le tokamak TCV, une machine de recherche sur la fusion au Swiss Plasma Center de l'EPFL.

« On passe de l'étude au contrôle. C'est vital pour l'avenir des réacteurs à fusion, " dit le premier auteur Timo Ravensbergen (DIFFER). " Nous mesurons, calculer, et contrôler avec une vitesse incroyable."

Un système fermé

L'hydrogène qui s'échappe est emporté par l'échappement du réacteur. Cet échappement s'appelle le divertor, où les pertes de chaleur du plasma sont capturées. Le processus de refroidissement intense au voisinage du divertor est appelé détachement du divertor. Il réduit la température et la pression du plasma près de la paroi. Les physiciens de la fusion ont déjà beaucoup d'expérience avec ce processus, mais ceci est en partie basé sur l'intuition et sur les expériences des mesures précédentes. Désormais, les choses se feront différemment. "Nous avons développé un système fermé, " dit Van Berkel, chef de groupe Systèmes d'énergie et contrôle. « Nous avons combiné de nombreuses techniques différentes, c'est ce qui le rend unique. Notre approche d'ingénierie des systèmes peut être appliquée à d'autres réacteurs à fusion. » Les expériences sont une preuve de principe. Van Berkel pense que la méthode sera, avec des ajustements, applicable dans les grands réacteurs à fusion ITER et DEMO.

Pas à pas

Les chercheurs ont utilisé le système de caméra MANTIS du tokamak TCV pour cette recherche. Ce système d'imagerie tokamak avancé multispectral à bande étroite a été développé par DIFFER, EPFL et MIT. Les chercheurs ont adapté le système de telle sorte que les images de la caméra soient converties en données à partir desquelles un modèle informatique pourrait ensuite calculer en temps réel le refroidissement optimal dans des conditions variables. Tout cela s'est déroulé avec une grande précision :l'état du plasma est déterminé 800 fois par seconde.

Un nouvel algorithme de traitement d'images en temps réel, développé chez DIFFER, analyse les images MANTIS. L'algorithme calcule de combien vous avez besoin pour refroidir, et contrôle ensuite automatiquement les vannes de gaz. Finalement, les chercheurs ont produit un modèle du système en analysant, encore une fois avec la caméra, comment le plasma réagit au gaz introduit. "Avec ce modèle, on détermine la relation dynamique entre la commande de la vanne gaz et le front de chaleur, " dit Van Berkel.

Résultat rapide :testé sur le tokamak TCV de l'EPFL

Le système a été testé sur le tokamak TCV. "C'est un appareil très flexible, où les idées peuvent être développées et testées assez rapidement, " souligne Theiler. Van Berkel est d'accord :" Le TCV est une machine fantastique pour tester les techniques de contrôle, avec un système de contrôle en temps réel hypermoderne. » Van Berkel dit que les résultats sont arrivés rapidement :« En seulement quatre expériences, nous avons réussi à obtenir un contrôle par rétroaction du plasma près du divertor. Cela démontre que notre approche systématique fonctionne. »

La recherche future

Une proposition de recherche de suivi a déjà été préparée. Les chercheurs ont utilisé une seule caméra MANTIS, alors que le système en a dix. Les chercheurs souhaitent également utiliser les autres caméras, afin qu'ils puissent contrôler le processus encore plus précisément, et pour contrôler des processus clés supplémentaires dans le divertor.

Fusion :grand potentiel énergétique

La fusion, la réaction nucléaire qui alimente le Soleil, a un potentiel énergétique élevé, est sûr et respectueux de l'environnement. La recherche dans ce domaine est dynamisée par le réacteur international ITER. Alors que la machine de recherche géante est en cours d'assemblage en France, des scientifiques du monde entier travaillent sur les prochaines étapes :produire des réactions de fusion à grande échelle en son sein. La fusion se produit lorsque les noyaux d'atomes légers sont chauffés à cent millions de degrés, formant un gaz de particules chargées appelé plasma.