Des physiciens du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) ont proposé la source de l'effondrement soudain et déroutant de la chaleur qui précède les perturbations pouvant endommager les installations de fusion de tokamak en forme de beignet. Faire face à la source pourrait surmonter l'un des défis les plus critiques auxquels seront confrontées les futures installations de fusion et rapprocher de la réalité la production sur Terre de l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles.

Les chercheurs ont attribué l'effondrement au désordre 3D des champs magnétiques puissants qui embouteillent le gaz plasma chaud et chargé qui alimente les réactions. "Nous avons proposé une nouvelle façon de comprendre les lignes de champ [désordonnées], qui étaient généralement ignorées ou mal modélisées dans les études précédentes", a déclaré Min-Gu Yoo, chercheur postdoctoral au PPPL et auteur principal d'un Physics de plasma article sélectionné comme choix de l'éditeur avec une figure placée sur la couverture du numéro de juillet. Yoo est depuis devenu membre du personnel scientifique de General Atomics à San Diego.

Les champs magnétiques puissants remplacent dans les installations de fusion l'immense gravité qui maintient les réactions de fusion en place dans les corps célestes. Mais lorsqu'elles sont désordonnées par l'instabilité du plasma dans les expériences de laboratoire, les lignes de champ permettent à la chaleur du plasma super chaud d'échapper rapidement au confinement. Une telle chaleur d'un million de degrés écrase les particules de plasma ensemble pour libérer de l'énergie de fusion et peut frapper et endommager les murs de l'installation de fusion lorsqu'elle est libérée du confinement.

"Dans le cas d'une perturbation majeure, les lignes de champ deviennent totalement [désordonnées] comme des spaghettis et se connectent rapidement au mur avec des longueurs très différentes", a déclaré le physicien chercheur principal Weixing Wang, conseiller PPPL de Yoo et co-auteur de l'article. "Cela amène une énorme énergie thermique du plasma contre le mur."

La fusion combine des éléments légers sous forme de plasma - l'état chaud et chargé de la matière composée d'électrons libres et de noyaux atomiques - qui génère d'énormes quantités d'énergie. Le plasma contient des électrons libres et des noyaux atomiques, ou ions, et comprend 99 % de l'univers visible. Les scientifiques du monde entier cherchent à capturer et à contrôler le processus de fusion sur Terre afin de créer une source d'énergie propre, sans carbone et pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Collines et vallées

Ce qui n'était pas connu auparavant était la forme 3D, ou topologie, des lignes de champ désordonnées causées par l'instabilité turbulente. La topologie forme de minuscules collines et vallées, explique Yoo, laissant certaines particules piégées dans les vallées et incapables d'échapper au confinement tandis que d'autres dévalent les collines et impactent les murs de l'installation

"L'existence de ces collines est responsable de l'effondrement rapide de la température, ce qu'on appelle la trempe thermique, car elles permettent à davantage de particules de s'échapper vers la paroi du tokamak", a déclaré Yoo. "Ce que nous avons montré dans l'article, c'est comment dessiner une bonne carte pour comprendre la topologie des lignes de champ. Sans collines magnétiques, la plupart des électrons auraient été piégés et ne pourraient pas produire l'extinction thermique observée dans les expériences."

Les scientifiques de PPPL ont simulé la topologie de trempe thermique comme une structure 3D complexe plutôt qu'une simple structure 1D comme cela avait été illustré. Ce faisant, les chercheurs ont évité les simplifications excessives courantes qui pourraient induire la physique en erreur.

Ce qui a rendu la topologie difficile à comprendre, c'est l'interaction complexe entre les champs électriques et magnétiques à l'intérieur de l'installation, a déclaré Yoo. Les chercheurs du PPPL ont décrypté l'interaction à l'aide du code GTS du Laboratoire, qui simule l'effet de l'instabilité turbulente sur le mouvement des particules. Le code a révélé que le champ électrique produit dans les installations agit pour envoyer des particules parmi les lignes de champ magnétique stochastique de type spaghetti, puis facilite le mouvement des particules piégées le long des lignes de champ qui provoque l'extinction thermique.

"Cette recherche fournit de nouvelles informations physiques sur la façon dont le plasma perd son énergie vers le mur lorsqu'il y a des lignes de champ magnétique ouvertes", a déclaré Yoo. "La nouvelle compréhension serait utile pour trouver des moyens innovants d'atténuer ou d'éviter les trempes thermiques et les perturbations du plasma à l'avenir." + Explorer plus loin

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