Le processus conçu pour récolter sur Terre l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles peut parfois être trompé. Des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton du département américain de l'Énergie (DOE) ont dérivé et démontré un peu de légèreté appelée "quasi-symétrie" qui pourrait accélérer le développement de l'énergie de fusion en tant que sécurité, source d'énergie propre et pratiquement illimitée pour produire de l'électricité.

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 scientifiques du monde entier cherchent à reproduire le processus dans des installations de fusion en forme de beignet appelées tokamaks qui chauffent le plasma à des températures d'un million de degrés et le confinent dans des champs magnétiques symétriques produits par des bobines pour créer des réactions de fusion.

Question cruciale

Un enjeu crucial pour ces efforts est de maintenir la rotation rapide du plasma en forme de beignet qui tourbillonne dans un tokamak. Cependant, petites distorsions du champ magnétique, ou des ondulations, causé par un désalignement des bobines de champ magnétique, peut ralentir le mouvement du plasma, le rendant plus instable. Les désalignements de la bobine et les ondulations de champ qui en résultent sont minuscules, aussi petit que 1 partie sur 10, 000 parties du terrain, mais ils peuvent avoir un impact important.

Maintenir la stabilité dans les futurs tokamaks comme ITER, l'installation internationale qui monte en France pour démontrer la faisabilité de l'énergie de fusion, sera essentiel pour récolter l'énergie nécessaire à la production d'électricité. Une façon de minimiser l'impact des ondulations de champ est d'ajouter des aimants supplémentaires pour annuler, ou guérir, l'effet des erreurs de champ magnétique. Cependant, les ondulations sur le terrain ne peuvent jamais être complètement annulées et il n'y a pas eu jusqu'à présent de méthode optimale pour atténuer leurs effets.

La méthode récemment découverte consiste à tromper les particules de plasma tourbillonnantes en annulant les erreurs de champ magnétique le long du chemin qu'elles parcourent. « Un moyen de préserver la rotation tout en assurant la stabilité consiste à modifier la forme du champ magnétique afin que les particules soient dupées en pensant qu'elles ne se déplacent pas dans un champ magnétique ondulé, " a déclaré le physicien PPPL Jong-Kyu Park, auteur principal d'un article en Lettres d'examen physique (PRL) qui propose une solution. "Nous devons rendre le champ 3D à l'intérieur du plasma quasi-symétrique pour tromper les particules en leur faisant se comporter comme si elles n'étaient pas affectées par les champs, " dit Park.

Quasi-symétrie

Quasi-symétrie, une forme de symétrie de champ magnétique introduite par les physiciens étudiant les systèmes de confinement magnétique sinueux appelés stellarators, peut être utilisé pour minimiser les effets négatifs des champs 3D dans les tokamaks. Une telle minimisation peut améliorer à la fois le confinement d'énergie et la stabilité du plasma en améliorant son écoulement rotationnel.

« Si vous pouvez modifier ces champs 3D pour réduire la tendance des particules à s'éloigner de leur point de départ, on peut alors maintenir la rotation naturelle du plasma et le confinement des particules et de la chaleur, " a déclaré le physicien PPPL Raffi Nazikian, un co-auteur de l'article.

Park et ses collègues ont démontré l'utilisation de la quasi-symétrie pour rendre la plupart du temps inoffensifs les ondulations du champ d'erreur dans les tokamaks. Les tests sur l'installation nationale de fusion DIII-D de General Atomics (GA) à San Diego et l'installation de recherche avancée sur le tokamak supraconducteur coréen (KSTAR) en Corée du Sud ont montré des résultats positifs. Le processus "fournit une voie fiable d'optimisation complète du champ d'erreur dans les plasmas brûlant par fusion, " selon le journal.

Bien que de telles optimisations soient vitales, les scientifiques utilisent généralement les ondulations du champ magnétique pour faire face à d'autres problèmes. Par exemple, sur DIII-D, les chercheurs ont utilisé des bobines spéciales pour réduire ou éliminer les modes localisés sur les bords (ELM) - des explosions de chaleur explosives qui peuvent endommager l'intérieur des tokamaks.

Exemples importants

De tels cas sont l'exemple le plus important de la bonne utilisation des ondulations et les nouvelles découvertes marquent une percée dans la gestion des mauvaises. "Jong-Kyu a poussé les algorithmes pour adapter les champs magnétiques tridimensionnels gênants du tokamak à un nouveau niveau, " a déclaré Carlos Paz-Soldan, co-auteur de l'article en tant que physicien DIII-D et maintenant professeur agrégé à l'Université de Columbia. "Ce cadre sera certainement la base sur laquelle les futures stratégies de contrôle pour ces champs seront développées, " a déclaré Paz-Soldan.

Les scientifiques poursuivent également activement le concept de quasi-symétrie pour optimiser la conception d'installations de fusion de stellarator qui fonctionnent intrinsèquement avec des champs 3D. Le concept a réussi à minimiser la perte de chaleur et de particules dans les stellarators, un problème de longue date avec les installations en forme de cruller qui utilisent un ensemble de bobines torsadées complexes qui spiralent comme des rayures sur une canne à sucre pour produire des champs magnétiques.

Le travail du stellarator illustre l'applicabilité étendue de la quasi-symétrie dans la recherche sur la fusion. L'étape suivante, dit Parc, sera d'appliquer le concept à ITER, "nous pouvons donc faire du bon travail pour corriger les champs d'erreur dans ce tokamak."