Stellarateurs, dispositifs magnétiques sinueux qui visent à exploiter sur Terre l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles, ont longtemps joué le rôle de second violon par rapport aux installations en forme de beignet plus largement utilisées, connues sous le nom de tokamaks. Les aimants stellarator torsadés complexes ont été difficiles à concevoir et ont permis auparavant une plus grande fuite de la chaleur très élevée des réactions de fusion.

Aujourd'hui, des scientifiques de l'Institut Max Planck de physique des plasmas (IPP), travailler en collaboration avec des chercheurs qui incluent le laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE), ont montré que le dispositif Wendelstein 7-X (W7-X) à Greifswald, Allemagne, le plus grand et le plus avancé des Stellarator au monde, est capable de confiner la chaleur qui atteint des températures deux fois plus élevées que le cœur du soleil.

Indicateur clé

Un instrument de diagnostic appelé le XICS, principalement conçu, construit et exploité par le physicien PPPL Novimir Pablant en collaboration avec le physicien IPP Andreas Langenberg, est un indicateur clé d'une forte réduction d'un type de perte de chaleur appelé "transport néoclassique" qui a été historiquement plus important dans les stellarators classiques que dans les tokamaks. Les collisions fréquentes qui causent le transport gênant sont des particules chauffées hors de leurs orbites alors qu'elles tourbillonnent autour des lignes de champ magnétique qui les confinent. Les dérives des orbites des particules contribuent au transport.

Un rapport récent sur les résultats de W7-X dans La nature magazine confirme le succès des efforts des concepteurs pour façonner les aimants stellarator finement torsadés afin de réduire le transport néoclassique. Le premier auteur de l'article était le physicien Craig Beidler de la division Théorie de l'IPP. "C'est une nouvelle vraiment excitante pour la fusion que ce design ait été un succès, " dit Pablant, un coauteur avec Langenberg de l'article. "Cela montre clairement que ce type d'optimisation peut être fait."

David Gates, responsable du Département Projets Avancés du PPPL qui supervise les travaux du laboratoire sur les stellarateurs, était également très enthousiaste. "Ça a été très excitant pour nous, à PPPL et à toutes les autres institutions collaboratrices américaines, faire partie de cette expérience vraiment passionnante, " Gates a déclaré. "Le travail de Novi a été au centre de l'effort de cette incroyable équipe expérimentale. Je suis très reconnaissant à nos collègues allemands d'avoir si gracieusement permis notre participation."

Puissance sans carbone

La fusion que les scientifiques cherchent à produire combine des éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou des ions, qui représente 99% de l'univers visible - pour générer des quantités massives d'énergie. Produire une fusion contrôlée sur Terre créerait une réserve pratiquement inépuisable de produits sûrs, nettoyer, et une source d'énergie sans carbone pour produire de l'électricité pour l'humanité et contribuer de manière majeure à la transition des combustibles fossiles.

Stellarateurs, construit pour la première fois dans les années 1950 sous le fondateur de PPPL Lyman Spitzer, peut fonctionner en régime permanent avec peu de risques de perturbations plasmatiques auxquelles les tokamaks sont confrontés. Cependant, leur complexité et leur historique de confinement thermique relativement faible les ont retenus. Un objectif majeur de la conception optimisée de W7-X, qui a produit son premier plasma en 2015, a été de démontrer la pertinence d'un stellarator optimisé en tant qu'éventuelle centrale à fusion.

Les résultats obtenus par le XICS démontrent des températures d'ions chauds qui n'auraient pas pu être atteintes sans une forte réduction du transport néoclassique. Ces mesures ont également été effectuées par le diagnostic CXRS construit et exploité par IPP, qui ont été pensés pour être un peu plus précis mais n'ont pas pu être réalisés dans toutes les conditions. Les profils de température finaux dans le La nature rapport ont été tirés de CXRS et soutenus par des mesures avec XICS dans des plasmas similaires.

'Extrêmement précieux'

"Sans le XICS nous n'aurions probablement pas découvert ce [bon confinement] régime, " dit Robert Wolf, chef de la division chauffage et exploitation de W7-X et co-auteur de l'article. "Nous avions besoin d'une mesure de température ionique facilement disponible et cela s'est avéré extrêmement utile."

Les chercheurs ont mené une expérience de pensée pour vérifier le rôle joué par l'optimisation dans les résultats du confinement. L'expérience a révélé que dans un stellarator non optimisé, un grand transport néoclassique aurait rendu impossibles les températures élevées enregistrées sur W7-X pour la puissance de chauffage donnée. "Cela a montré que la forme optimisée de W7-X réduisait le transport néoclassique et était nécessaire pour les performances observées dans les expériences W7-X, " a déclaré Pablant. " C'était une façon de montrer à quel point l'optimisation était importante. "

Les résultats marquent une étape pour permettre aux stellarateurs basés sur la conception W7-X de conduire à un réacteur de fusion pratique, il ajouta. "Mais réduire les transports néoclassiques n'est pas la seule chose à faire. Il y a tout un tas d'autres objectifs à montrer, y compris le fonctionnement régulier et la réduction du transport turbulent. » Le transport turbulent produit des ondulations et des tourbillons qui traversent le plasma en tant que deuxième source principale de perte de chaleur.

Le W7-X rouvrira en 2022 après une mise à niveau de trois ans pour installer un système de refroidissement par eau qui prolongera les expériences de fusion et un divertor amélioré qui évacuera la chaleur haute performance. Les mises à niveau permettront la prochaine étape de l'enquête par les chercheurs de W7-X sur la valeur des stellarators optimisés pour devenir des modèles pour les centrales électriques.