Dans leur quête permanente pour développer une gamme de méthodes de gestion du plasma afin qu'il puisse être utilisé pour produire de l'électricité dans un processus connu sous le nom de fusion, des chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) ont montré comment deux anciens les méthodes peuvent être combinées pour offrir une plus grande flexibilité.
Bien que les deux méthodes, connues sous le nom d'entraînement de courant cyclotron électronique (ECCD) et d'application de perturbations magnétiques résonantes (RMP), soient étudiées depuis longtemps, c'est la première fois que les chercheurs simulent comment elles peuvent être utilisées ensemble pour améliorer le contrôle du plasma.
"C'est une idée en quelque sorte nouvelle", a déclaré Qiming Hu, chercheur en physique au PPPL et auteur principal d'un nouvel article publié dans La fusion nucléaire sur le travail, qui a également été démontré expérimentalement. "Les capacités complètes sont encore à déterminer, mais notre article fait un excellent travail en faisant progresser notre compréhension des avantages potentiels."
A terme, les scientifiques espèrent utiliser la fusion pour produire de l’électricité. Premièrement, ils devront surmonter plusieurs obstacles, notamment le perfectionnement de méthodes permettant de minimiser les explosions de particules provenant du plasma, connues sous le nom de modes localisés aux bords (ELM).
« Périodiquement, ces rafales libèrent un peu de pression parce que c'est trop. Mais ces sursauts peuvent être dangereux », a déclaré Hu, qui travaille pour PPPL au DIII-D National Fusion Facility, une installation utilisateur du DOE hébergée par General Atomics. DIII-D est un tokamak, un dispositif qui utilise des champs magnétiques pour confiner un plasma de fusion en forme de beignet. Les ELM peuvent mettre fin à une réaction de fusion et même endommager le tokamak. Les chercheurs ont donc développé de nombreuses façons d'essayer de les éviter.
"La meilleure façon que nous avons trouvée pour les éviter est d'appliquer des perturbations magnétiques résonantes, ou RMP, qui génèrent des champs magnétiques supplémentaires", a déclaré Alessandro Bortolon, physicien de recherche principal au PPPL, qui était l'un des co-auteurs de l'article.
Les champs magnétiques génèrent des îlots, les micro-ondes les ajustent
Les champs magnétiques initialement appliqués par le tokamak s'enroulent autour du plasma en forme de tore, à la fois sur le long trajet (autour du bord extérieur) et sur le trajet court (à partir du bord extérieur et à travers le trou central). Les champs magnétiques supplémentaires créés par les RMP se déplacent à travers le plasma, se faufilant comme un point d'égout. Ces champs produisent des champs magnétiques ovales ou circulaires dans le plasma appelés îlots magnétiques.
« Normalement, les îlots dans les plasmas sont vraiment très mauvais. Si les îles sont trop grandes, le plasma lui-même peut être perturbé. »
Cependant, les chercheurs savaient déjà expérimentalement que, sous certaines conditions, les îles pouvaient être bénéfiques. Le plus difficile est de générer des RMP suffisamment grands pour générer les îles. C'est là qu'intervient l'ECCD, qui est essentiellement une injection de faisceau de micro-ondes. Les chercheurs ont découvert que l'ajout d'ECCD au bord du plasma réduit la quantité de courant nécessaire pour générer les RMP nécessaires à la création des îlots.
L’injection du faisceau micro-ondes a également permis aux chercheurs de perfectionner la taille des îlots pour une stabilité maximale des bords du plasma. Métaphoriquement, les RMP agissent comme un simple interrupteur qui allume les îlots, tandis que l'ECCD agit comme un variateur supplémentaire qui permet aux chercheurs d'ajuster les îlots à la taille idéale pour un plasma gérable.
"Notre simulation affine notre compréhension des interactions en jeu", a déclaré Hu. «Lorsque l'ECCD a été ajouté dans la même direction que le courant dans le plasma, la largeur de l'îlot a diminué et la pression du piédestal a augmenté. L’application de l’ECCD dans la direction opposée a produit des résultats opposés, avec une largeur d’îlot augmentant et la pression du socle diminuant ou facilitant l’ouverture de l’îlot.
ECCD en bordure, au lieu du noyau
La recherche est également remarquable car l'ECCD a été ajouté au bord du plasma plutôt qu'au cœur, où il est généralement utilisé.
"Habituellement, les gens pensent qu'il est risqué d'appliquer un ECCD localisé au bord du plasma, car les micro-ondes peuvent endommager les composants internes du vaisseau", a déclaré Hu. « Nous avons montré que c'était faisable et nous avons démontré la flexibilité de l'approche. Cela pourrait ouvrir de nouvelles voies pour concevoir de futurs appareils.
En réduisant la quantité de courant nécessaire pour générer les RMP, ce travail de simulation pourrait à terme conduire à réduire le coût de la production d’énergie de fusion dans les futurs dispositifs de fusion à l’échelle commerciale.