Des chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas (PPPL) de Princeton du Département américain de l'énergie (DOE) ont combiné des décennies d'expertise en ingénierie, calcul et physique théorique pour concevoir un nouveau type de stellarateur, une machine sinueuse qui confine le plasma, le quatrième état de la matière chargé électriquement. , pour exploiter le processus de fusion qui alimente le soleil et les étoiles et potentiellement générer de l'électricité propre.

"L'utilisation d'aimants permanents est une toute nouvelle façon de concevoir des stellarateurs", a déclaré Tony Qian, étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de Princeton, basé au PPPL. Qian est l'auteur principal d'articles publiés dans le Journal of Plasma Physics. et Fusion Nucléaire qui détaillent la théorie et l'ingénierie derrière l'appareil, connu sous le nom de MUSE. "Cette technique nous permet de tester rapidement de nouvelles idées de confinement du plasma et de construire facilement de nouveaux dispositifs."

Les stellarateurs s'appuient généralement sur des électro-aimants complexes qui ont des formes complexes et créent leurs champs magnétiques grâce au flux d'électricité. Ces électro-aimants doivent être construits avec précision avec très peu de marge d'erreur, ce qui augmente leur coût.

Cependant, les aimants permanents, comme les aimants qui maintiennent les œuvres d’art sur les portes des réfrigérateurs, n’ont pas besoin de courants électriques pour créer leurs champs. Ils peuvent également être commandés dans le commerce auprès de fournisseurs industriels, puis intégrés dans une coque imprimée en 3D autour de l'enceinte à vide de l'appareil, qui contient le plasma.

"MUSE est en grande partie construit avec des pièces disponibles dans le commerce", a déclaré Michael Zarnstorff, physicien de recherche principal au PPPL et chercheur principal du projet. "En travaillant avec des entreprises d'impression 3D et des fournisseurs d'aimants, nous pouvons magasiner et acheter la précision dont nous avons besoin au lieu de la fabriquer nous-mêmes."

L'idée initiale selon laquelle les aimants permanents pourraient constituer la base d'une nouvelle variété de stellarateurs plus abordables est venue à Zarnstorff en 2014. « J'ai réalisé que même s'ils étaient situés à côté d'autres aimants, les aimants permanents à base de terres rares pouvaient générer et maintenir les champs magnétiques nécessaires. pour confiner le plasma afin que des réactions de fusion puissent se produire", a déclaré Zarnstorff, "et c'est la propriété qui fait que cette technique fonctionne."

Résoudre un problème d'ingénierie de longue date

Inventés il y a plus de 70 ans par Lyman Spitzer, fondateur de PPPL, les stellarateurs ne sont qu’un concept parmi d’autres pour les installations de fusion. Un autre est le tokamak en forme de beignet ou de pomme évidée, comme le National Spherical Torus Experiment-Upgrade du PPPL, qui confine le plasma à l'aide d'aimants relativement simples. Pendant des décennies, cette conception a été préférée par les scientifiques du monde entier en raison de la façon dont les appareils confinent le plasma.

Cependant, les tokamaks s'appuient également sur des champs magnétiques créés par des courants électriques traversant le milieu du plasma, qui créent des instabilités qui interfèrent avec les réactions de fusion. Les stellarateurs peuvent cependant fonctionner sans de tels courants et peuvent donc fonctionner pendant des périodes de temps indéfinies. Mais leurs aimants complexes, difficiles à concevoir et à construire, font depuis des années que les stellarateurs ne constituent pas une option économique ou pratique pour les centrales électriques à fusion.

C'est pourquoi le succès de MUSE dans la démonstration que les stellarateurs peuvent fonctionner à l'aide de simples aimants est si important. "Les aimants stellaires typiques sont très difficiles à usiner car il faut le faire de manière très précise", a déclaré Amelia Chambliss, étudiante diplômée du département de physique appliquée et de mathématiques appliquées de l'université de Columbia, qui a contribué à la conception de MUSE lors d'un stage de laboratoire de premier cycle en sciences du DOE au PPPL. il y a quelques années. "Donc, l'idée selon laquelle nous pouvons utiliser de nombreux aimants discrets pour faire le travail à la place est très excitante. C'est un problème d'ingénierie beaucoup plus simple."

Réaliser une propriété théorique

En plus d’être une percée technique, MUSE présente également une propriété théorique connue sous le nom de quasisymétrie à un degré plus élevé que tout autre stellarateur auparavant. Il s'agit également du premier dispositif réalisé n'importe où dans le monde qui a été conçu spécifiquement pour avoir un type de quasi-symétrie connu sous le nom de quasi-axisymétrie.

Conçue par le physicien Allen Boozer du PPPL au début des années 1980, la quasisymétrie signifie que même si la forme du champ magnétique à l'intérieur du stellarateur peut ne pas être la même autour de la forme physique du stellarateur, la force du champ magnétique est uniforme autour de l'appareil, ce qui conduit à un bon confinement du plasma et une probabilité plus élevée que des réactions de fusion se produisent. "En fait, l'optimisation de la quasi-symétrie de MUSE est au moins 100 fois meilleure que celle de n'importe quel stellarateur existant", a déclaré Zarnstorff.

"Le fait que nous ayons pu concevoir et construire ce stellarator est une véritable réussite", a déclaré Qian.

À l'avenir, l'équipe PPPL prévoit de mener une série d'expériences pour déterminer la nature exacte de la quasi-symétrie de MUSE et ainsi déterminer dans quelle mesure le dispositif empêche les particules chaudes de se déplacer du cœur du plasma vers les bords, rendant ainsi les réactions de fusion plus difficiles. . Les méthodes incluront la cartographie plus précise des champs magnétiques et la mesure du ralentissement du plasma en rotation, qui dépend de la quasi-symétrie du dispositif.

MUSE démontre le type d’innovation possible dans un laboratoire national américain. "Pour moi, la chose la plus importante à propos de MUSE est qu'elle représente une manière créative de résoudre un problème difficile", a déclaré Chambliss. "Il utilise de nombreuses approches ouvertes et innovantes pour résoudre les problèmes de longue date des stellarateurs. Tant que la communauté continuera à penser de cette manière flexible, nous serons en bonne forme."