De nouvelles perspectives pourraient faire progresser l’énergie de fusion

Les scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l’énergie (DOE) ont approfondi la compréhension d’une barrière qui peut empêcher les installations de fusion en forme de beignet connues sous le nom de tokamaks de fonctionner à haute efficacité en provoquant la perte de chaleur vitale.

Dirigée par le physicien du PPPL Roscoe White, l’équipe de recherche a utilisé des ordinateurs pour simuler un type de mouvement de plasma capable de faire passer des particules hautement énergétiques du cœur vers le bord, un phénomène qui pourrait se produire dans ITER, le tokamak multinational en cours de construction en France pour démontrer le faisabilité de la fusion comme source d’énergie.

«Pour que tout appareil de fusion fonctionne, vous devez vous assurer que les particules hautement énergétiques qu’il contient sont très bien confinées dans le noyau de plasma», a déclaré le physicien PPPL Vinícius Duarte, membre de l’équipe de recherche qui a rapporté les résultats en Physique des plasmas. « Si ces particules dérivent vers le bord du plasma, vous ne pouvez pas maintenir le plasma brûlant en régime permanent nécessaire pour faire de l’électricité alimentée par fusion une réalité. »

Duarte fait référence à un phénomène appelé «gazouillis» qui se produit lorsque la fréquence des ondes de plasma qui interagissent avec des particules hautement énergétiques change soudainement, provoquant finalement une fuite d’énergie du noyau de plasma et produisant des tonalités qui changent rapidement. Les nouvelles découvertes, qui expliquent certains aspects de la forme du gazouillis dans un tokamak, pourraient aider les chercheurs à trouver comment contrecarrer les gazouillis et rester dans la chaleur vitale. Empêcher les changements brusques de fréquence pourrait également protéger les parois du tokamak de la libération soudaine de rafales d’énergie concentrées et dommageables.

La fusion combine des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et de noyaux atomiques – et génère des quantités massives d’énergie dans les étoiles. Les scientifiques visent à reproduire la fusion dans des appareils sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable d’énergie sûre et propre pour produire de l’électricité.

Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques montrant des vues très détaillées du mouvement des conglomérats de particules de plasma pour révéler certains des mécanismes responsables du gazouillis, donnant l’espoir que les scientifiques puissent trouver des moyens d’améliorer ses effets. Les scientifiques ont utilisé le code PPPL ORBIT pour calculer comment la position et la vitesse des particules de plasma changent au fil du temps en trois dimensions. Les simulations ont montré que le gazouillis commence lorsque des particules en mouvement rapide dans le noyau interagissent avec des ondes ondulant à travers le plasma et forment spontanément des amas qui migrent vers le bord du plasma. Les résultats confirment les résultats antérieurs basés sur des configurations de tokamak simplifiées; ils révèlent également des dynamiques plus riches et plus complexes jamais vues auparavant.

Cette interaction avec les particules de plasma fait monter et descendre simultanément la fréquence des ondes dites plasmatiques d’Alfvén, catapultant les amas vers le bord du plasma et parfois dans la paroi. «Les outils développés dans cette recherche ont permis un aperçu de la dynamique compliquée et auto-organisée des gazouillis dans un tokamak», a déclaré Duarte.

Les scientifiques ont dû créer de nouveaux outils virtuels pour observer le mouvement des ondes simulées avec les détails nécessaires. « Le plus difficile a été d’inventer les diagnostics qui montreraient clairement ce qui se passait », a déclaré White. « Dans un certain sens, c’est comme construire un microscope qui vous permettra de voir ce que vous devez voir. »

Les nouvelles découvertes poursuivent un effort de longue date des membres du département de théorie de PPPL qui se concentre sur la compréhension du gazouillis, en particulier dans le cadre de la mise à niveau de l’expérience nationale de tokamak sphérique (NSTX-U) de PPPL. « Si vous le comprenez », dit White, « vous pouvez trouver des moyens d’exploiter des installations de fusion sans cela. »