Aujourd’hui, ils pensent avoir la réponse à un scénario particulier. Tout cela fait partie du travail du Laboratoire visant à amener l'énergie de la fusion au réseau électrique.

S'appuyant sur des découvertes récentes montrant la promesse de recouvrir la surface interne du récipient contenant un plasma de fusion de lithium liquide, les chercheurs ont déterminé la densité maximale de particules non chargées ou neutres au bord d'un plasma avant que le bord du plasma ne refroidisse et certaines instabilités deviennent imprévisibles.

Connaître la densité maximale des particules neutres au bord d'un plasma de fusion est important car cela donne aux chercheurs une idée de comment et de quelle quantité alimenter la réaction de fusion.

La recherche, qui est présentée dans un nouvel article dans Nuclear Fusion, comprend des observations, des simulations numériques et des analyses de leurs expériences à l'intérieur d'un récipient à plasma de fusion appelé Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β).

L'environnement unique de LTX-β

Le LTX-β est l’un des nombreux récipients de fusion dans le monde qui contiennent le plasma en forme de beignet à l’aide de champs magnétiques. Ces navires sont connus sous le nom de tokamaks. La particularité de ce tokamak réside dans le fait que ses parois intérieures peuvent être recouvertes presque entièrement de lithium. Cela modifie fondamentalement le comportement de la paroi, car le lithium retient un pourcentage très élevé d'atomes d'hydrogène provenant du plasma.

Sans le lithium, beaucoup plus d’hydrogène rebondirait sur les parois et retournerait dans le plasma. Début 2024, l'équipe de recherche a signalé que cet environnement à faible recyclage de l'hydrogène maintenait le bord du plasma chaud, rendant le plasma plus stable et laissant de la place pour un plus grand volume de plasma.

"Nous essayons de montrer qu'un mur de lithium peut permettre un réacteur à fusion plus petit, ce qui se traduira par une densité de puissance plus élevée", a déclaré Richard Majeski, physicien de recherche principal au PPPL et responsable de LTX-β. À terme, cette recherche pourrait se traduire par la source d’énergie de fusion rentable dont le monde a besoin.

Aujourd’hui, l’équipe LTX-β a publié des résultats supplémentaires montrant la relation entre le combustible du plasma et sa stabilité. Plus précisément, les chercheurs ont découvert la densité maximale de particules neutres au bord du plasma à l'intérieur du LTX-β avant que le bord ne commence à refroidir, ce qui pourrait entraîner des problèmes de stabilité.

Les chercheurs pensent qu'ils peuvent réduire le risque de certaines instabilités en maintenant la densité au bord du plasma en dessous de leur niveau nouvellement défini de 1 x 10 ¹⁹ . m ^–3 . C'est la première fois qu'un tel niveau est établi pour le LTX-β, et sachant qu'il s'agit d'une étape importante dans leur mission visant à prouver que le lithium est le choix idéal pour un revêtement de paroi interne dans un tokamak, car il les guide vers les meilleures pratiques. pour alimenter leurs plasmas.

Dans LTX-β, la fusion est alimentée de deux manières :en utilisant des bouffées d’hydrogène gazeux provenant du bord et un faisceau de particules neutres. Les chercheurs perfectionnent la façon d'utiliser les deux méthodes en tandem pour créer un plasma optimal qui maintiendra la fusion pendant longtemps dans les futurs réacteurs à fusion tout en générant suffisamment d'énergie pour le rendre pratique pour le réseau électrique.

Méthodes de raffinement pour conserver une température uniforme dans le plasma

Les physiciens comparent souvent la température à ses bords à sa température centrale pour évaluer dans quelle mesure elle sera facile à gérer. Ils tracent ces nombres sur un graphique et considèrent la pente de la droite. Si la température au niveau du noyau interne et du bord externe est presque la même, la ligne est presque plate, c'est pourquoi on appelle cela un profil de température plat. Si la température au bord extérieur est nettement inférieure à la température au cœur interne, les scientifiques appellent cela un profil de température de pointe.

"L'équipe a déterminé la densité maximale de particules neutres au-delà du bord d'un plasma qui permet toujours un profil de température à bord plat. Aller au-delà de ce nombre de neutres au bord fera certainement baisser la température de votre bord et vous vous retrouverez dans un profil de température maximal", a déclaré Santanu Banerjee, chercheur en physique au PPPL et auteur principal du nouvel article.

"Cette même densité neutre constitue le seuil des instabilités appelées modes de déchirure. Au-delà de cette densité, les modes de déchirure ont tendance à être déstabilisés, à menacer le plasma et peuvent arrêter la réaction de fusion s'ils ne sont pas contrôlés."

Si les instabilités deviennent trop importantes, la réaction de fusion prendra fin. Afin de soutenir le réseau électrique, les chercheurs étudient les meilleurs moyens de gérer un plasma de fusion afin que la réaction soit stable.

Banerjee et Majeski ont travaillé avec plusieurs autres chercheurs sur cet article, dont Dennis Boyle, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta et Ron Bell du PPPL.

Les travaux sur le projet se poursuivent. Dylan Corl, ingénieur chez PPPL, optimise la direction dans laquelle le faisceau neutre, utilisé pour chauffer le plasma, est injecté dans le tokamak. "Nous créons essentiellement un nouveau port pour cela", a déclaré Corl. Il utilise un modèle 3D du LTX-β, testant différentes trajectoires du faisceau pour s'assurer que le faisceau ne heurtera pas une autre partie de l'équipement, comme les outils utilisés pour mesurer le plasma. "Trouver le meilleur angle a été un défi, mais je pense que nous l'avons maintenant", a déclaré Corl.