L'appareil a soutenu un plasma de fusion chaud d'environ 50 millions de degrés Celsius pendant une durée record de six minutes avec 1,15 gigajoules de puissance injectée, 15 % d'énergie en plus et deux fois la densité qu'auparavant. Le plasma devra être à la fois chaud et dense pour générer une énergie fiable pour le réseau.

Le record a été établi dans un dispositif de fusion appelé WEST, le tungstène (W) Environnement dans un tokamak à l'état stationnaire, exploité par le Commissariat français aux énergies alternatives et à l'énergie atomique (CEA). PPPL entretient un partenariat de longue date avec WEST, qui fait partie du groupe de l'Agence internationale de l'énergie atomique pour la coordination des défis internationaux liés aux opérations de longue durée (CICLOP).

Cette étape représente une étape importante vers les objectifs du programme CICLOP. Les chercheurs soumettront un article pour publication dans les prochaines semaines.

"Nous devons fournir une nouvelle source d'énergie, et cette source doit être continue et permanente", a déclaré Xavier Litaudon, chercheur au CEA et président du CICLOP. Litaudon a déclaré que le travail du PPPL à WEST est un excellent exemple.

"Ce sont de beaux résultats. Nous avons atteint un régime stationnaire malgré un environnement difficile dû à ce mur de tungstène."

Rémi Dumont, responsable du groupe Expérimentation et développement du plasma de l'Institut de recherche sur la fusion magnétique du CEA, était le coordinateur scientifique de l'expérience, la qualifiant de "résultat spectaculaire".

Les chercheurs du PPPL ont utilisé une nouvelle approche pour mesurer plusieurs propriétés du rayonnement plasmatique. Leur approche impliquait un détecteur de rayons X spécialement adapté, fabriqué à l'origine par DECTRIS, un fabricant d'électronique, puis intégré au tokamak WEST, une machine qui confine le plasma (le quatrième état ultra-chaud de la matière) dans un récipient en forme de beignet utilisant des capteurs magnétiques. champs.

"Le groupe Rayons X du département Projets avancés de PPPL développe tous ces outils innovants pour les tokamaks et les stellarateurs du monde entier", a déclaré Luis Delgado-Aparicio, responsable des projets avancés de PPPL et scientifique principal pour la recherche en physique et les rayons X. projet de détecteur.

Ce n'est qu'un exemple des atouts de PPPL en matière de diagnostic :des outils de mesure spécialisés utilisés, dans ce cas, pour caractériser les plasmas de fusion chaude.

"La communauté de la fusion plasma a été parmi les premières à tester la technologie hybride de comptage de photons pour surveiller la dynamique du plasma", a déclaré Nicolas Pilet, responsable des ventes de DECTRIS.

"Aujourd'hui, WEST a obtenu des résultats sans précédent et nous tenons à féliciter l'équipe pour son succès. La fusion plasmatique est un domaine scientifique fascinant et très prometteur pour l'humanité. Nous sommes incroyablement fiers de contribuer à ce développement avec nos produits et sommes ravis par notre excellente collaboration."

Les scientifiques du monde entier essaient différentes méthodes pour extraire de manière fiable la chaleur du plasma pendant qu’il subit une réaction de fusion. Mais cela s'est avéré particulièrement difficile, en partie parce que le plasma doit être confiné suffisamment longtemps pour rendre le processus économique à des températures beaucoup plus chaudes que le centre du soleil.

Une version précédente de l'appareil, Tore Supra, permettait d'obtenir une réaction ou un tir légèrement plus long, mais à l'époque, l'intérieur de la machine était constitué de tuiles de graphite.

Bien que le carbone rende l'environnement plus agréable pour les projets à long terme, il pourrait ne pas convenir à un réacteur à grande échelle car le carbone a tendance à retenir le combustible dans la paroi, ce qui sera inacceptable dans un réacteur où une récupération efficace du tritium de la chambre du réacteur et la réintroduction dans le plasma sera primordiale.

Le tungstène est avantageux car il retient beaucoup moins de carburant, mais si même des quantités infimes de tungstène pénètrent dans le plasma, le rayonnement du tungstène peut rapidement refroidir le plasma.

"L'environnement des parois en tungstène est bien plus difficile que l'utilisation du carbone", a déclaré Delgado-Aparicio. "C'est tout simplement la différence entre essayer d'attraper votre chaton à la maison et essayer de caresser le lion le plus sauvage."

De nouvelles mesures de diagnostic ont été enregistrées

Le tir a été mesuré à l’aide d’une nouvelle approche développée par les chercheurs du PPPL. Le matériel de l'outil de mesure, ou de diagnostic, a été fabriqué par DECTRIS et modifié par Delgado-Aparicio et d'autres membres de son équipe de recherche, notamment les chercheurs du PPPL Tullio Barbui, Oulfa Chellai et Novimir Pablant.

"Le diagnostic mesure essentiellement le rayonnement X produit par le plasma", a déclaré Barbui à propos de l'appareil, connu sous le nom de caméra à rayons X doux multi-énergies (ME-SXR).

"Grâce à la mesure de ce rayonnement, nous pouvons déduire des propriétés très importantes du plasma, telles que la température des électrons dans le noyau réel du plasma, là où il est le plus chaud."

Dans le commerce, le diagnostic DECTRIS peut normalement être configuré avec tous les pixels réglés sur le même niveau d'énergie. PPPL a développé une nouvelle technique d'étalonnage qui leur permet de définir l'énergie indépendamment pour chaque pixel.

Barbui a déclaré que cette approche présente des avantages par rapport à la technique existante utilisée dans WEST, qui peut être difficile à calibrer et génère des lectures parfois affectées par les ondes radiofréquence utilisées pour chauffer le plasma. "Les ondes radiofréquences ne perturbent pas notre diagnostic", a déclaré Barbui.

"Pendant le tournage de six minutes, nous avons pu mesurer assez précisément la température centrale des électrons. Elle était dans un état très stable d'environ 4 kilovolts. C'était un résultat assez remarquable", a-t-il déclaré.

Rechercher la lumière aux bons niveaux d'énergie

Le diagnostic recherche la lumière provenant d'un type spécifique de rayonnement appelé Bremsstrahlung, qui est produit lorsqu'un électron change de direction et ralentit. Le défi initial consistait à déterminer quelles fréquences de lumière du Bremsstrahlung rechercher, car le plasma et les parois en tungstène peuvent émettre ce type de rayonnement, mais les mesures doivent se concentrer sur le plasma.

"La bande d'énergie des photons comprise entre 11 et 18 kiloélectronvolts (keV) nous a offert une belle fenêtre d'opportunité pour l'émission centrale jamais explorée auparavant et a donc influencé notre décision d'échantillonner soigneusement cette plage", a déclaré Delgado-Aparicio.

"Normalement, lorsque cette technique est appliquée, vous effectuez seulement deux mesures. C'est la première fois que nous effectuons une série de mesures", a déclaré Barbui.

Delgado-Aparicio a également souligné que "l'étalonnage spécial de notre détecteur nous a permis d'obtenir des lectures pour chaque niveau d'énergie compris entre 11 et 18 keV, pour chaque ligne de visée de la caméra, tout en échantillonnant toute la section efficace."

Environ 10 mesures sont prises par seconde. L’astuce consiste à utiliser l’intensité de l’énergie la plus basse de 11 keV comme niveau de référence, et les mesures des sept autres intensités sont comparées à celle initiale. En fin de compte, ce processus produit sept lectures de température simultanées par ligne de visée, d'où la grande précision de la mesure.

"Cette capacité innovante est désormais prête à être exportée vers de nombreuses machines aux États-Unis et dans le monde", a déclaré Delgado-Aparicio.

"À partir des huit mesures d'intensité différentes, nous avons obtenu le meilleur ajustement, qui se situait entre 4 et 4,5 kilovolts pour le plasma central. Cela représente près de 50 millions de degrés et pendant jusqu'à six minutes", a déclaré Delgado-Aparicio.

Les lectures de diagnostic peuvent être utilisées non seulement pour calculer la température des électrons dans le plasma, mais également la charge du plasma et la densité des impuretés dans le plasma, qui est en grande partie du tungstène ayant migré des parois du tokamak.

"Ce système particulier est le premier de ce type avec discrimination énergétique. En tant que tel, il peut fournir des informations sur la température et de nombreux détails sur la teneur précise en impuretés - principalement du tungstène - dans la décharge, qui est une quantité cruciale pour fonctionner dans n'importe quel environnement métallique. .

"C'est spectaculaire", a déclaré Dumont. Bien que ces données puissent être déduites de plusieurs autres diagnostics et étayées par une modélisation, Dumont a décrit cette nouvelle méthode comme « plus directe ».

Barbui a déclaré que le diagnostic pourrait recueillir encore plus d'informations lors d'expériences futures. "Ce détecteur a la capacité unique de pouvoir être configuré pour mesurer le même plasma avec autant d'énergies que vous le souhaitez", a déclaré Barbui. "Maintenant, nous avons sélectionné huit énergies, mais nous aurions pu en sélectionner 10 ou 15."

Litaudon s'est dit heureux de disposer d'un tel diagnostic pour le programme CICLOP. "En fait, cette caméra à résolution énergétique ouvrira une nouvelle voie en termes d'analyse", a-t-il déclaré.

"Il est extrêmement difficile d'exploiter une installation dotée d'une paroi en tungstène. Mais grâce à ces nouvelles mesures, nous aurons la capacité de mesurer le tungstène à l'intérieur du plasma et de comprendre le transport du tungstène de la paroi au cœur du plasma."

Litaudon affirme que cela pourrait les aider à minimiser la quantité de tungstène dans le cœur du plasma afin de garantir des conditions de fonctionnement optimales pour la fusion. "Grâce à ces diagnostics, nous pouvons comprendre ce problème et aller aux racines de la physique tant pour la mesure que pour la simulation."

De longs calculs informatiques effectués par Dumont, Pierre Manas et Theo Fonghetti du CEA ont également confirmé un bon accord entre les simulations pertinentes et les mesures rapportées par l'équipe PPPL.

Dumont a également noté que la caméra ME-SXR s'appuie sur l'important travail de diagnostic du laboratoire à WEST. "Le ME-SXR n'est qu'une partie d'une contribution plus globale de diagnostic du PPPL au CEA/WEST", a déclaré Dumont, soulignant la caméra à rayons X durs et le spectromètre à cristaux d'imagerie à rayons X.

"Cette collaboration nous aide beaucoup. Grâce à cette combinaison de diagnostics, nous pourrons effectuer des mesures très précises dans le plasma et le contrôler en temps réel."