Attractivité surprenante de l’obstacle au développement d’une énergie sûre, propre et sans carbone

Les scientifiques ont découvert l’impact remarquable de l’inversion d’une méthode standard pour combattre un obstacle clé à la production d’énergie de fusion sur Terre. Les théoriciens du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) ont proposé de faire exactement le contraire de la procédure prescrite pour améliorer considérablement les résultats futurs.

Trous de déchirure dans le plasma

Le problème, appelé « modes de déchirure verrouillés », se produit dans tous les tokamaks d’aujourd’hui, des installations magnétiques en forme de beignet conçues pour créer et contrôler la puissance de fusion pratiquement illimitée qui alimente le soleil et les étoiles. Les modes provoqués par l’instabilité tournent avec le plasma chaud et chargé – le quatrième état de la matière composé d’électrons libres et de noyaux atomiques qui alimente les réactions de fusion – et des trous de déchirure appelés îlots dans le champ magnétique qui confine le gaz, permettant la fuite de chaleur clé .

Ces îlots grossissent lorsque les modes cessent de tourner et se verrouillent en place, un taux de croissance qui augmente la perte de chaleur, réduit les performances du plasma et peut provoquer des perturbations qui permettent à l’énergie stockée dans le plasma de frapper et d’endommager les parois internes du tokamak. Pour éviter de tels risques, les chercheurs diffusent désormais des micro-ondes dans le plasma pour stabiliser les modes avant qu’ils ne puissent se verrouiller.

Cependant, les résultats de PPPL suggèrent fortement que les chercheurs stabilisent les modes dans les grands tokamaks de nouvelle génération après leur verrouillage. Dans les tokamaks d’aujourd’hui, « ces modes se verrouillent plus rapidement que les gens ne le pensaient et il devient beaucoup plus difficile de les stabiliser alors qu’ils tournent encore », a déclaré Richard Nies, doctorant au programme Princeton en physique des plasmas et auteur principal d’un La fusion nucléaire document qui expose les découvertes surprenantes.

Un autre inconvénient, a-t-il ajouté, est que « ces micro-ondes augmentent leur largeur en se réfractant du plasma, ce qui rend la stabilisation du mode pendant qu’il tourne encore moins efficace aujourd’hui, et ce problème s’est aggravé ces dernières années ».

Accompagnant ces problèmes, il y a le fait que dans les futurs grands tokamaks comme ITER, l’installation internationale en construction dans le sud de la France, « le plasma est tellement énorme que la rotation est beaucoup plus lente et ces modes se verrouillent assez rapidement alors qu’ils sont encore assez petits « , a déclaré Nies. « Il sera donc beaucoup plus efficace de changer le package de stabilisation dans les futurs grands tokamaks et de les laisser d’abord se verrouiller, puis de les stabiliser. »

Cette inversion pourrait faciliter le processus de fusion, que les scientifiques du monde entier cherchent à reproduire. Le processus combine des éléments légers sous forme de plasma pour libérer de grandes quantités d’énergie. « Cela offre une manière différente de voir les choses et pourrait être un moyen beaucoup plus efficace de traiter le problème », a déclaré Allan Reiman, chercheur distingué et co-auteur de l’article. « Les gens devraient prendre plus au sérieux la possibilité d’autoriser le verrouillage des îles », a déclaré Reiman.

Près de perturber

Il est peu probable que la technique recommandée fonctionne dans les tokamaks d’aujourd’hui, car les îlots de mode de déchirure se développent si rapidement et sont si grands lorsqu’ils se verrouillent dans ces installations que le plasma est sur le point de se perturber une fois qu’il s’est verrouillé. C’est pourquoi les chercheurs doivent désormais utiliser de grandes quantités d’énergie pour stabiliser les modes au prix d’une limitation de la production de fusion. En revanche, la lente croissance des îles dans les tokamaks de nouvelle génération « laisse un long chemin à parcourir avant d’avoir une perturbation, il y a donc beaucoup de temps pour stabiliser le mode », a déclaré Nies.

Une fois que les modes des futurs tokamaks sont verrouillés en place, les micro-ondes peuvent les cibler directement au lieu de les stabiliser uniquement lorsqu’ils tournent devant le faisceau de micro-ondes dans les installations actuelles. « Ces calculs théoriques montrent l’efficacité de ce que nous proposons », a souligné Nies.

Ce qu’il faut maintenant, ce sont des expériences pour tester le plan d’action proposé, a-t-il déclaré. « Nous ne voudrions pas allumer ITER et seulement ensuite découvrir quelle stratégie fonctionne. Il existe une réelle opportunité d’explorer la physique que nous abordons dans les dispositifs actuels. »