Les physiciens sont comme les abeilles :ils peuvent faire une pollinisation croisée, prendre des idées d'un domaine et les utiliser pour développer des percées dans d'autres domaines. Des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont transféré une technique d'un domaine de la physique des plasmas à un autre pour permettre la conception plus efficace d'aimants puissants pour les installations de fusion en forme de beignet connues sous le nom de tokamaks. De tels aimants confinent et contrôlent le plasma, le quatrième état de la matière qui constitue 99% de l'univers visible et alimente les réactions de fusion.

Concevoir ces aimants n'est pas simple, surtout quand ils doivent être façonnés avec précision pour créer des complexes, champs magnétiques tridimensionnels pour contrôler les instabilités du plasma. Il est donc approprié que la nouvelle technique vienne de scientifiques qui conçoivent des stellarateurs, dispositifs de fusion en forme de cruller qui nécessitent des aimants si soigneusement construits. En d'autres termes, les scientifiques du PPPL utilisent un code informatique Stellarator pour visualiser la forme et la force des aimants tokamak torsadés qui peuvent stabiliser les plasmas tokamak et survivre aux conditions extrêmes attendues dans un réacteur à fusion.

Cette idée pourrait faciliter la construction d'installations de fusion tokamak qui amènent la puissance du soleil et des étoiles sur Terre. "Autrefois, c'était un voyage de découverte, " a déclaré Nik Logan, un physicien du Laboratoire national Lawrence Livermore du DOE qui a dirigé la recherche pendant son séjour au PPPL. "Il fallait construire quelque chose, Essaye-le , et utiliser les données pour apprendre à concevoir la prochaine expérience. Nous pouvons maintenant utiliser ces nouveaux outils de calcul pour concevoir ces aimants plus facilement, en utilisant des principes glanés à partir d'années de recherche scientifique. » Les résultats ont été rapportés dans un article publié dans La fusion nucléaire .

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, qui génère des quantités massives d'énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour une réserve d'énergie pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Les résultats pourraient aider à la construction de tokamaks en compensant l'imprécision qui se produit lorsqu'une machine passe d'une conception théorique à un objet réel, ou en appliquant des champs magnétiques 3D contrôlés avec précision pour supprimer les instabilités du plasma. "La réalité de construire quoi que ce soit, c'est que ce n'est pas parfait, " dit Logan. " Il y a de petites irrégularités. Les aimants que nous concevons à l'aide de cette technique stellarator peuvent à la fois corriger certaines des irrégularités qui se produisent dans les champs magnétiques et contrôler les instabilités.

Logan et ses collègues ont également appris que ces aimants pouvaient agir sur le plasma même lorsqu'ils étaient placés à une distance relativement grande pouvant atteindre plusieurs mètres des parois du tokamak. "C'est une bonne nouvelle car plus les aimants sont proches du plasma, plus il est difficile de les concevoir pour répondre aux conditions difficiles à proximité des réacteurs de fusion, " dit Logan. " Plus nous pourrons placer d'équipement à distance du tokamak, le meilleur."

La technique repose sur FOCUS, un code informatique créé principalement par le physicien PPPL Caoxiang Zhu, un scientifique en optimisation de Stellarator, pour concevoir des aimants compliqués pour les installations de Stellarator. « Quand j'ai créé FOCUS en tant que stagiaire postdoctoral à PPPL, Nik Logan s'est arrêté sur ma présentation par affiche lors d'une conférence de l'American Physical Society, " a déclaré Zhu. " Plus tard, nous avons eu une conversation et avons réalisé qu'il y avait une opportunité d'appliquer le code FOCUS aux projets de tokamak. "

La collaboration entre les différents sous-domaines est passionnante. "Je suis heureux de voir que mon code peut être étendu à un plus large éventail d'expériences, " a noté Zhu. " Je pense que c'est une belle connexion entre les mondes tokamak et stellarator. "

Bien que longtemps la deuxième installation de fusion derrière les tokamaks, les stellarators sont maintenant de plus en plus utilisés car ils ont tendance à créer des plasmas stables. Les tokamaks sont actuellement le premier choix pour la conception d'un réacteur à fusion, mais leurs plasmas peuvent développer des instabilités qui pourraient endommager les composants internes d'un réacteur.

Présentement, Les chercheurs de PPPL utilisent cette nouvelle technique pour concevoir et mettre à jour des aimants pour plusieurs tokamaks à travers le monde. La liste comprend COMPASS-U, un tokamak exploité par l'Académie tchèque des sciences; et l'installation de recherche avancée sur le tokamak supraconducteur de Corée (KSTAR).

"C'est un papier très pratique qui a des applications pratiques, et bien sûr, nous avons des preneurs, " a déclaré Logan. " Je pense que les résultats seront utiles pour l'avenir de la conception des tokamaks. "