La création de chaleur à partir de réactions de fusion nécessite une manipulation minutieuse des propriétés du plasma, le quatrième état de la matière chargé électriquement qui constitue 99 % de l'univers visible.

Aujourd'hui, des scientifiques du Laboratoire de physique des plasmas (PPPL) de Princeton du Département américain de l'énergie (DOE) ont terminé la construction d'un nouvel instrument de mesure du plasma, ou de diagnostic, qui pourrait contribuer à cet effort, en aidant à augmenter la chaleur des réactions de fusion dans des installations connues sous le nom de tokamaks et améliorer potentiellement la puissance de sortie des futures centrales électriques à fusion.

Connu sous le nom d'ALPACA, le diagnostic observe la lumière émise par un halo d'atomes neutres entourant le plasma à l'intérieur du DIII-D, un dispositif en forme de beignet connu sous le nom de tokamak exploité pour le DOE par General Atomics à San Diego.

En étudiant cette lumière, les scientifiques peuvent obtenir des informations sur la densité des atomes neutres qui pourraient les aider à maintenir le plasma chaud et à augmenter la quantité d'énergie générée par les réactions de fusion. Les scientifiques du monde entier tentent d'exploiter sur Terre les réactions de fusion qui permettent aux étoiles de produire de l'électricité sans produire de gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs à vie longue.

ALPACA aide les scientifiques à étudier un processus appelé ravitaillement en carburant. Au cours de ce processus, des nuages ​​d'atomes neutres de densités variables autour du plasma se divisent en électrons et en ions et pénètrent dans le plasma.

"Nous sommes intéressés par le ravitaillement car la densité des atomes neutres peut augmenter la densité des particules de plasma, et la densité du plasma affecte le nombre de réactions de fusion", a déclaré Laszlo Horvath, un physicien du PPPL en poste au DIII-D qui a aidé à coordonner l'assemblage et l'installation d'ALPACA.

"Si nous pouvons augmenter la densité du plasma, nous pourrons alors avoir plus de réactions de fusion, qui génèrent plus de puissance de fusion. C'est exactement ce que nous voulons avoir dans les futures centrales à fusion."

Les atomes d'hydrogène impliqués dans ce type de ravitaillement proviennent de trois sources. Le premier concerne les bouffées originales d’hydrogène gazeux que les scientifiques ont utilisées pour initier le plasma. La seconde est la combinaison d’électrons et de noyaux dans les régions les plus froides de la chambre pour former des atomes entiers. Le troisième est la fuite d'atomes d'hydrogène du matériau qui constitue les surfaces intérieures de la chambre, où ils sont parfois piégés lors des opérations du tokamak.

Semblable à une caméra sténopé, l’ALPACA, long de près de deux pieds, collecte la lumière plasma qui possède une propriété spécifique connue sous le nom de longueur d’onde Lyman-alpha. Les chercheurs peuvent calculer la densité des atomes neutres en mesurant la luminosité de la lumière.

Auparavant, les scientifiques déduisaient la densité à partir de mesures prises par d'autres instruments, mais les données étaient difficiles à interpréter. ALPACA est l'un des premiers diagnostics conçus spécifiquement pour collecter la lumière plasma à la fréquence Lyman-alpha, de sorte que ses données sont beaucoup plus claires.

Les scientifiques souhaitent mieux comprendre le ravitaillement en carburant afin de pouvoir le contrôler. En contrôlant le ravitaillement, les scientifiques pourraient rendre les réactions de fusion dans les tokamaks plus efficaces et augmenter la quantité de chaleur qu'ils produisent.

L’augmentation de la chaleur est importante car plus le plasma est chaud, plus une centrale électrique basée sur un tokamak pourrait produire d’électricité. Ce projet est un autre exemple de l'expertise de classe mondiale de PPPL en ingénierie et en diagnostic plasma.

ALPACA est en fait l’un d’une paire de diagnostics. Son jumeau s'appelle « LLAMA », qui signifie « appareil de mesure Lyman-alpha ». Les deux diagnostics se complètent dans la mesure où tandis que LAMA observe les régions intérieures et extérieures de la partie inférieure du tokamak, ALPACA observe les régions intérieures et extérieures de la partie supérieure.

"Nous avons besoin des deux appareils car même si nous savons que les atomes neutres entourent le plasma, le nombre d'atomes neutres varie d'un endroit à l'autre, nous ne savons donc pas exactement où ils s'accumulent", a déclaré Alessandro Bortolon, physicien principal de recherche au PPPL et qui dirige le Collaboration PPPL avec l'installation nationale de fusion General Atomics DIII-D à San Diego.

"Pour cette raison, et parce que nous ne pouvons pas extrapoler à partir de mesures uniques, nous devons mesurer à plusieurs endroits."

Comme tous les diagnostics, ALPACA remplit un objectif crucial. "Lorsque nous menons des expériences sur des machines comme le DIII-D, nous devons comprendre ce qui se passe à l'intérieur de l'appareil, surtout si nous voulons améliorer ses performances", a déclaré Horvath.

"Mais comme le plasma est à 100 millions de degrés Celsius, nous ne pouvons pas simplement utiliser un thermomètre de four ou quoi que ce soit de conventionnel. Ils fondraient simplement. Les diagnostics nous donnent des informations sur ce qui serait autrement une boîte noire."

La conception d'ALPACA a incorporé l'impression 3D, une technique qui a permis l'intégration d'une chambre creuse à l'intérieur de la structure principale pour les conduits de refroidissement. "Il n'y aurait aucun moyen d'usiner cette pièce d'une autre manière", a déclaré David Mauzey, senior à l'Université d'État de San Diego et associé technique chez PPPL. Mauzey a également dirigé les aspects d'ingénierie mécanique du projet ALPACA.

"C'est le premier grand projet pour lequel je gère la majorité de l'ingénierie mécanique", a déclaré Mauzey. "Il y avait des défis à relever, par exemple déterminer le positionnement des composants optiques, mais le processus était amusant."

ALPACA a été conçu et construit uniquement par PPPL, bien que le système complet, composé d'ALPACA et de LAMA, soit exploité en collaboration par PPPL et le Massachusetts Institute of Technology. Des contributions significatives ont également été apportées par Alexander Nagy, directeur adjoint de la recherche hors site DIII-D du PPPL, et Florian Laggner, professeur adjoint d'ingénierie nucléaire à l'Université d'État de Caroline du Nord.

ALPACA est actuellement en test. Une fois que DIII-D reprendra ses opérations ce mois-ci après une période de maintenance, ALPACA commencera à prendre des mesures réelles.

Fourni par le laboratoire de physique des plasmas de Princeton