Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) ont découvert que la mise à jour d'un modèle mathématique pour inclure une propriété physique connue sous le nom de résistivité pourrait conduire à l'amélioration de la conception des installations de fusion en forme de beignet appelées tokamaks.

"La résistivité est la propriété de toute substance qui inhibe le flux d'électricité", a déclaré le physicien du PPPL Nathaniel Ferraro, l'un des chercheurs collaborateurs. "C'est un peu comme la viscosité d'un fluide, qui empêche les choses de le traverser. Par exemple, une pierre se déplacera plus lentement dans la mélasse que dans l'eau, et plus lentement dans l'eau que dans l'air."

Les scientifiques ont découvert une nouvelle façon dont la résistivité peut provoquer des instabilités dans le bord du plasma, où les températures et les pressions augmentent fortement. En intégrant la résistivité dans des modèles qui prédisent le comportement du plasma, une soupe d'électrons et de noyaux atomiques qui constitue 99 % de l'univers visible, les scientifiques peuvent concevoir des systèmes pour les futures installations de fusion qui rendent le plasma plus stable.

"Nous voulons utiliser ces connaissances pour comprendre comment développer un modèle qui nous permet de brancher certaines caractéristiques du plasma et de prédire si le plasma sera stable avant de faire une expérience", a déclaré Andreas Kleiner, un physicien PPPL qui était le auteur principal d'un article rapportant les résultats de Fusion nucléaire . "En gros, dans cette recherche, nous avons vu que la résistivité était importante et nos modèles devraient l'inclure", a-t-il déclaré.

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 - et génère d'énormes quantités d'énergie. Les scientifiques cherchent à exploiter la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable en énergie pour produire de l'électricité.

Les scientifiques veulent que le plasma soit stable car les instabilités peuvent entraîner des éruptions de plasma appelées modes localisés aux bords (ELM) qui peuvent endommager les composants internes du tokamak au fil du temps, nécessitant le remplacement plus fréquent de ces composants. Cependant, les futurs réacteurs à fusion devront fonctionner sans s'arrêter pour des réparations pendant des mois d'affilée.

"Nous devons être sûrs que le plasma de ces futures installations sera stable sans avoir à construire de prototypes à grande échelle, ce qui est prohibitif et prend du temps", a déclaré Ferraro. "Dans le cas des modes localisés sur les bords et de certains autres phénomènes, ne pas stabiliser le plasma pourrait entraîner des dommages ou réduire la durée de vie des composants dans ces installations, il est donc très important de bien faire les choses."

Les physiciens utilisent un modèle informatique appelé EPED pour prédire le comportement du plasma dans les tokamaks conventionnels, mais les prédictions produites par le code pour une variété de machines à plasma appelées tokamaks sphériques ne sont pas toujours exactes. Les physiciens étudient les tokamaks sphériques, des installations compactes telles que le National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) au PPPL qui ressemblent à des pommes évidées, en tant que conception possible d'une usine pilote de fusion.

À l'aide des ordinateurs puissants du National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie, Kleiner et l'équipe ont essayé d'ajouter de la résistivité à un modèle de plasma et ont constaté que les prédictions commençaient à correspondre. observations.

"Andreas a examiné les données de plusieurs décharges de plasma précédentes et a découvert que les effets résistifs étaient très importants", a déclaré Rajesh Maingi, chef du département des sciences expérimentales du tokamak de PPPL. "The experiments showed that these effects were probably causing the ELMs we were seeing. The improved model could show us how to change the profiles of plasma in future facilities to get rid of the ELMs."

Using these types of computer models is a standard procedure that lets physicists predict what plasma will do in future fusion machines and design those machines to make the plasma behave in a way to make fusion more likely. "Basically, a model is a set of mathematical equations that describes plasma behavior," Ferraro said.

"And all models incorporate assumptions. Some models, like the one used in this research, describe the plasma as a fluid. In general, you can't have a model that includes all of physics in it. It would be too hard to solve. You want a model that is simple enough to calculate but complete enough to capture the phenomenon you are interested in. Andreas found that resistivity is one of the physical effects that we should include in our models," he continued.

This research builds on past computations conducted by Kleiner and others. It adds to those findings by analyzing more discharges produced by NSTX, the machine preceding NSTX-U, and investigating scenarios when ELMs do not occur. The research also helped the scientists determine that instabilities caused by resistivity are driven by plasma current, not pressure.

Future research will focus on determining why resistivity produces these types of instabilities in spherical tokamaks. "We do not yet know which property causes the resistive modes at the plasma edge to appear. It might be a result of the spherical torus geometry, the lithium that coats the insides of some facilities, or the plasma's elongated shape," Kleiner said. "But this needs to be confirmed with further simulations." + Explorer plus loin

State-of-the-art computer code could advance efforts to harness fusion energy