Dans un plasma en combustion, le maintien du confinement des ions énergétiques produits par fusion est essentiel à la production d'énergie. Ces plasmas de fusion hébergent un large éventail d'ondes électromagnétiques qui peuvent chasser les ions énergétiques du plasma.

Cela réduit l’échauffement du plasma dû aux produits de réaction de fusion et met fin à l’état de combustion du plasma. Des mesures récentes effectuées à l'installation nationale de fusion DIII-D fournissent les premières observations directes d'ions énergétiques se déplaçant dans l'espace et l'énergie dans un tokamak.

Les chercheurs ont combiné ces mesures avec des modèles informatiques avancés d’ondes électromagnétiques et de leur interaction avec les ions énergétiques. Les résultats permettent une meilleure compréhension de l'interaction entre les ondes de plasma et les ions énergétiques dans les plasmas de fusion.

La physique des plasmas et la recherche sur la fusion évoluent des installations expérimentales vers la conception de centrales électriques de démonstration. Pour réussir cette démarche, les chercheurs ont besoin de simulations précises et d’autres outils permettant de prédire les performances des conceptions de centrales électriques. La plupart des installations actuelles ne produisent pas de plasmas brûlants.

Cependant, les chercheurs comprennent une grande partie de la physique pertinente et développent des simulations pour reproduire le comportement expérimental observé. Les recherches en cours ont permis de réaliser de nouvelles mesures du flux d'ions énergétiques dans le tokamak DIII-D. Cela accélérera le développement de modèles prenant en compte toutes les dynamiques d’interaction onde-ion pertinentes. Cette meilleure compréhension permet également l'application de l'ingénierie de l'espace des phases.

Les chercheurs peuvent utiliser ce processus pour concevoir de nouveaux scénarios de plasma de fusion basés sur des interactions idéales prédites entre les ondes et les ions. Notamment, ces interactions peuvent également endommager les satellites, cette recherche pourrait donc contribuer à améliorer leur fiabilité.

Des chercheurs de l'installation nationale de fusion DIII-D, une installation utilisatrice du ministère de l'Énergie, ont utilisé les premières mesures d'un nouveau système de diagnostic, l'analyseur de particules neutres par imagerie (INPA), pour observer le flux d'ions énergétiques dans un tokamak. P>

Un effort pluriannuel pour conceptualiser, concevoir et construire l’INPA a désormais fourni la toute première capacité d’observer ce comportement. Après avoir été injectés dans le tokamak par des faisceaux neutres, les ions énergétiques interagissent avec les ondes électromagnétiques du plasma et circulent en énergie et en position à travers le tokamak. Les simulations reproduisent le comportement observé, démontrant ainsi l'exactitude des modèles de principes premiers dans la description de la physique sous-jacente.

Une meilleure compréhension de ces interactions onde-particule est pertinente pour la conception de centrales à fusion et la compréhension du comportement des plasmas observés dans l'espace.

L'INPA mesure l'énergie des ions énergétiques injectés par un faisceau neutre, qui ont des énergies supérieures à celle du plasma de fond, dans le temps et dans la position spatiale, depuis le cœur du plasma chaud jusqu'au bord du plasma froid, où les ions peuvent être perdus.

Couplées à des simulations informatiques avancées de haute performance qui modélisent à la fois le spectre des ondes électromagnétiques et les interactions avec les ions énergétiques, ces expériences fournissent la compréhension la plus détaillée de l'interaction entre les ondes de plasma et les ions énergétiques dans les plasmas de fusion.

Cette meilleure compréhension permet également aux chercheurs d’appliquer l’ingénierie de l’espace des phases, un processus dans lequel ils conçoivent de nouveaux scénarios de plasma de fusion basés sur des interactions idéales prédites entre les ondes et les ions. Ces types d'interactions se produisent dans l'espace.

Par exemple, les ondes électromagnétiques cyclotroniques ioniques (EMIC) font circuler les électrons à travers l’espace et l’énergie. Dans certains cas, les électrons ont été accélérés au point de provoquer des dysfonctionnements dans les satellites. Une meilleure compréhension des processus d'interaction résonante onde-particule grâce à la recherche sur le plasma de fusion contribue aux simulations du plasma spatial, ce qui pourrait améliorer la fiabilité des futures missions satellitaires.

Les résultats sont publiés dans la revue Nuclear Fusion .

Plus d'informations : X.D. Du et al, Visualisation du flux rapide d'ions dans l'espace des phases dans les plasmas bien en dessous, près et bien au-dessus du seuil de stabilité du mode propre d'Alfvén dans le tokamak, Fusion nucléaire (2023). DOI :10.1088/1741-4326/acbec5

J. Gonzalez-Martin et al, Modélisation du flux d'ions rapides induit par le mode propre d'Alfvén mesuré par un analyseur d'imagerie de particules neutres, Fusion nucléaire (2022). DOI :10.1088/1741-4326/ac7406

Fourni par le Département américain de l'énergie