Depuis 30 ans, la mise à niveau Asdex a ouvert la voie à une centrale électrique à fusion qui génère une énergie climatiquement neutre. L'usine de fusion du tokamak a été agrandie et améliorée à plusieurs reprises pendant cette période. Notamment pour cette raison, il fournit de nombreuses informations qui sont incorporées dans la conception et l'exploitation d'autres usines de fusion. Par exemple, l'équipe de mise à niveau d'Asdex a développé des scénarios pour l'exploitation de l'usine d'essai Jet au Royaume-Uni et de l'usine d'essai Iter en France ainsi que des prévisions pour une centrale électrique de démonstration planifiée. Une reconversion prévue mi-2022 est destinée à préparer l'usine pour l'avenir.

L'objectif de la recherche sur la fusion est de développer une centrale électrique respectueuse du climat et de l'environnement. Comme le soleil, son but est de tirer de l'énergie de la fusion des noyaux atomiques. Le carburant pour cela est extrêmement mince, l'hydrogène gazeux ionisé, un plasma. Pour allumer le feu de fusion, le plasma doit être enfermé dans des champs magnétiques presque sans contact et chauffé à plus de 100 millions de degrés.

Afin de réguler l'interaction entre le combustible chaud et les murs environnants, des scientifiques du Max Planck Institute for Plasma Physics ont équipé l'Asdex Upgrade d'un divertor, qui a donné son nom à la plante :Expérience de divertor symétrique axial. Grâce à un champ magnétique supplémentaire, le champ divertor élimine les impuretés du plasma et améliore son isolation thermique.

Cependant, contrairement à son prédécesseur Asdex, la mise à niveau Asdex, le divertor et les propriétés importantes du plasma, surtout la densité et la charge sur les murs, sont mieux adaptés aux conditions d'une centrale électrique ultérieure. Equipé d'un puissant appareil de chauffage au plasma et d'un équipement de mesure sophistiqué pour l'observation du plasma, l'Asdex Upgrade peut donc être utilisé pour développer les modes de fonctionnement d'une potentielle centrale électrique. En 38, 700 décharges plasma à ce jour, la centrale a répondu à des questions de recherche essentielles pour l'expérience commune européenne Jet et le réacteur expérimental international Iter ainsi qu'un projet de centrale électrique de démonstration.

Une paroi en tungstène pour le vaisseau plasma

Avec la mise à niveau Asdex, les chercheurs ont fait un pas important vers une future centrale à fusion en recouvrant la paroi de la cuve à plasma de tungstène au lieu de carbone. Le carbone présente des avantages considérables pour les plantes expérimentales. Cependant, il est inadapté au fonctionnement d'une centrale car il est trop fortement érodé par le plasma et se lie trop de combustible. En raison de son point de fusion élevé, le tungstène est bien adapté comme matériau mural, du moins en principe. Mais le plasma se refroidit rapidement à cause des plus petites impuretés contenues dans les atomes de tungstène qui sont libérés à plusieurs reprises par la paroi. Après de nombreuses expérimentations, l'équipe de mise à niveau d'Asdex a été en mesure de résoudre ce problème.

Conséquences directes de ce succès :Dans une reconstruction majeure, l'expérience commune européenne Jet a reçu un divertor en tungstène en 2011. L'équipe internationale du réacteur expérimental Iter a décidé de renoncer aux expériences initialement prévues avec un divertor en carbone et d'aller directement au tungstène. Le tungstène est également le matériau de référence pour la centrale électrique de démonstration.

L'injection d'hydrogène évite les instabilités

Dans l'interaction des particules de plasma chargées avec le champ magnétique de confinement, diverses perturbations du confinement du plasma peuvent survenir. Il s'agit notamment des instabilités au bord du plasma ou des ELM (modes localisés au bord). Dans le processus, le plasma de bord perd brièvement son confinement et projette périodiquement des particules de plasma et de l'énergie vers l'extérieur sur les parois des vaisseaux. Alors que les usines de taille moyenne telles que l'Asdex Upgrade sont capables de faire face à cela, le divertor dans les grandes usines comme Iter pourrait devenir surchargé. Afin de résoudre ce problème, des procédures pour éviter les instabilités ont été développées pour la mise à niveau Asdex. Seize petites bobines magnétiques dans le récipient à plasma suppriment complètement l'instabilité de leurs champs. Une deuxième méthode commence au bord du plasma le plus à l'extérieur. Si la bonne forme de plasma peut être définie - via le champ magnétique - tout en assurant une densité de particules suffisamment élevée - en injectant de l'hydrogène - les ELM ne peuvent pas se développer.

Assurer un fonctionnement continu

Le fonctionnement continu est garanti par des usines de fusion de type tokamak telles que l'Asdex Upgrade, Jet, ou Iter - qui construisent la cage magnétique avec deux champs magnétiques superposés :un champ annulaire généré par des bobines magnétiques externes et le champ d'un courant circulant dans le plasma. En combinant les champs magnétiques, les lignes de champ sont torsadées de manière à enfermer le plasma. Le courant plasma est normalement induit par impulsions par une bobine de transformateur dans le plasma. Contrairement aux stellarators plus compliqués, l'ensemble du système fonctionne par impulsions, une lacune des tokamaks.

Les scientifiques de l'Institut Max Planck de physique des plasmas étudient donc diverses méthodes pour générer en continu le courant dans le plasma. Par exemple, en injectant des ondes haute fréquence ou des faisceaux de particules qui entraînent un courant supplémentaire dans le plasma. Ils ont ainsi réussi à faire fonctionner le système presque sans transformateur et pour la première fois dans une machine avec une paroi intérieure métallique pratiquement pertinente. Si l'Asdex Upgrade n'avait pas été équipé de bobines de cuivre normalement conductrices mais plutôt de bobines magnétiques supraconductrices (comme ce fut le cas pour Iter), cette phase aurait pu être prolongée beaucoup plus longtemps, éventuellement jusqu'à un fonctionnement continu.

Que va-t-il se passer ensuite

Au cours des 30 années de fonctionnement de l'Asdex Upgrade, la forme du divertor a été modifiée et optimisée plusieurs fois. Les chercheurs veulent maintenant aller plus loin et tester un nouveau concept de divertor. Deux bobines magnétiques supplémentaires sur le toit de la cuve à plasma sont destinées à déployer le champ divertor afin que la puissance du plasma soit répartie sur une plus grande surface. L'assemblage des bobines devrait commencer à la mi-2022. De telles extensions permettront également de futures investigations au tokamak de Garching pour résoudre les problèmes d'une future centrale électrique de démonstration. "De plusieurs façons, la mise à niveau Asdex peut être considérée comme un modèle pour une centrale à fusion tokamak, " déclare le chef de projet Arne Kallenbach. " Avec les nouveaux codes informatiques, les échantillons de rejets développés sur 30 ans fournissent des informations fiables pour une centrale électrique."