Quel est le lien entre le bore, un élément d'un nettoyant ménager courant, et les tokamaks, des installations de fusion en forme d'anneau qui chauffent le combustible à des températures d'un million de degrés ? Des scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) ont mené des recherches montrant qu'un compte-gouttes de poudre développé par PPPL peut déposer avec succès de la poudre de bore dans du plasma à haute température dans des tokamaks dont les pièces sont constituées d'un matériau résistant à la chaleur. connu sous le nom de tungstène. Les scientifiques veulent confirmer qu'ils peuvent utiliser ce processus pour appliquer du bore sur des pièces en tungstène, car des parois de tungstène nues peuvent nuire aux performances du plasma si le plasma endommage le tungstène.

En raison de son point de fusion élevé, le tungstène est de plus en plus utilisé dans les tokamaks pour aider les composants à résister à la chaleur intense du processus de fusion. Le bore protège en partie le tungstène du plasma et empêche le tungstène de fuir dans le plasma; il absorbe également tous les éléments parasites tels que l'oxygène pouvant se trouver dans le plasma à partir d'autres sources. Ces impuretés indésirables pourraient refroidir le plasma et éteindre les réactions de fusion.

"Nous avons besoin d'un moyen de déposer des revêtements de bore sans éteindre le champ magnétique des tokamaks, et c'est ce que le compte-gouttes de poudre nous permet de faire", a déclaré Grant Bodner, chercheur postdoctoral au PPPL qui était l'auteur principal du document de recherche rapportant le aboutit à la fusion nucléaire . La recherche a été réalisée à l'aide du tokamak W Environnement en régime permanent (WEST), exploité par le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) de France. "WEST est l'un des rares environnements entièrement en tungstène qui peut nous aider à tester cette technologie à de longues impulsions", a déclaré Bodner.

Une autre raison pour laquelle les physiciens ont réalisé leurs expériences avec WEST est que ses aimants sont constitués d'un matériau supraconducteur qui figurera dans les aimants à l'intérieur des futurs dispositifs de fusion. Ce matériau conduit l'électricité avec peu ou pas de résistance et produit peu de chaleur excessive, de sorte que les aimants peuvent fonctionner sans s'arrêter pendant de longues périodes, comme les futurs réacteurs à fusion devront le faire. Les aimants créent les forces qui retiennent le plasma afin qu'il puisse subir une fusion.

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, 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. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable en énergie pour produire de l'électricité.

Les scientifiques ont besoin d'un moyen de reconstituer les revêtements de bore pendant que les machines fonctionnent, car les futures installations de fusion ne pourront pas s'arrêter souvent pour recouvrir. "Lâcher du bore dans un tokamak pendant qu'il fonctionne, c'est comme nettoyer son appartement tout en faisant toutes les autres choses que l'on y fait habituellement", a déclaré le scientifique du CEA Alberto Gallo, qui a contribué à la recherche. "C'est très utile, cela signifie que vous n'avez pas à prendre plus de temps sur vos activités habituelles pour faire le ménage", a-t-il déclaré.

Le dispositif compte-gouttes de poudre est monté sur le dessus du tokamak et utilise des actionneurs précis pour déplacer le matériau en poudre de leurs réservoirs vers la chambre à vide du tokamak. Ce mécanisme permet aux chercheurs de définir avec précision le taux et la durée des gouttes de poudre, qui dans d'autres installations de fusion peuvent inclure d'autres matériaux améliorant les performances comme le lithium. "Grâce à cette flexibilité, le compte-gouttes a le potentiel d'être vraiment utile à l'avenir", a déclaré Bodner.

Les chercheurs ont été surpris de constater que le bore déposé par le compte-gouttes faisait plus que conditionner les surfaces internes du tungstène. "Nous avons vu que lorsque nous laissions tomber la poudre, le confinement du plasma augmentait, ce qui signifie qu'il retient davantage sa chaleur, ce qui facilite le processus de fusion", a déclaré Bodner.

Le confinement accru a été particulièrement utile car il s'est produit sans que le plasma n'entre dans un état connu sous le nom de mode H (mode à haut confinement), dans lequel le confinement s'améliore mais le plasma est plus susceptible d'éclater avec ce que l'on appelle des modes localisés sur les bords, ou ELM. Ces ELM évacuent la chaleur du plasma, réduisant l'efficacité des réactions de fusion et endommageant parfois les composants internes. "Si nous pouvons utiliser le compte-gouttes pour obtenir le bon confinement du mode H sans réellement entrer en mode H et risquer les ELM, ce serait formidable pour les réacteurs à fusion", a déclaré Bodner.

À l'avenir, les chercheurs souhaitent tester l'utilisation du compte-gouttes uniquement lorsque cela est nécessaire pour maintenir de bonnes performances plasma. "L'ajout d'impuretés supplémentaires, même du bore, peut réduire la puissance de fusion que vous obtenez car le plasma devient moins pur", a déclaré Bodner. "Par conséquent, nous devons essayer d'utiliser la plus petite quantité de bore qui puisse encore produire les effets que nous voulons."

Les expériences à venir se concentreront sur la quantité de bore qui recouvre réellement les surfaces de tungstène. "Nous voulons mesurer ces quantités afin de pouvoir vraiment quantifier ce que nous faisons et étendre ces résultats à l'avenir", a déclaré Bodner. + Explorer plus loin

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