De nouvelles découvertes sur le déplacement de l’électricité pourraient améliorer les dispositifs de fusion

Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) ont découvert que la mise à jour d’un modèle mathématique pour inclure une propriété physique connue sous le nom de résistivité pourrait conduire à l’amélioration de la conception des installations de fusion en forme de beignet appelées tokamaks.

« La résistivité est la propriété de toute substance qui inhibe le flux d’électricité », a déclaré le physicien PPPL Nathaniel Ferraro, l’un des chercheurs collaborateurs. « C’est un peu comme la viscosité d’un fluide, qui empêche les choses de le traverser. Par exemple, une pierre se déplacera plus lentement dans la mélasse que dans l’eau, et plus lentement dans l’eau que dans l’air. »

Les scientifiques ont découvert une nouvelle façon dont la résistivité peut provoquer des instabilités dans le bord du plasma, où les températures et les pressions augmentent fortement. En incorporant la résistivité dans des modèles qui prédisent le comportement du plasma, une soupe d’électrons et de noyaux atomiques qui constitue 99 % de l’univers visible, les scientifiques peuvent concevoir des systèmes pour les futures installations de fusion qui rendent le plasma plus stable.

« Nous voulons utiliser ces connaissances pour comprendre comment développer un modèle qui nous permet de brancher certaines caractéristiques du plasma et de prédire si le plasma sera stable avant de faire une expérience », a déclaré Andreas Kleiner, un physicien PPPL qui était le auteur principal d’un article rapportant les résultats La fusion nucléaire. « En gros, dans cette recherche, nous avons vu que la résistivité était importante et nos modèles devraient l’inclure », a-t-il déclaré.

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, 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 d’énormes quantités d’énergie. Les scientifiques cherchent à exploiter la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable en énergie pour produire de l’électricité.

Les scientifiques veulent que le plasma soit stable car les instabilités peuvent entraîner des éruptions de plasma appelées modes localisés aux bords (ELM) qui peuvent endommager les composants internes du tokamak au fil du temps, nécessitant le remplacement plus fréquent de ces composants. Les futurs réacteurs à fusion devront fonctionner sans arrêt pour réparation, cependant, pendant des mois d’affilée.

« Nous devons être sûrs que le plasma de ces futures installations sera stable sans avoir à construire de prototypes à grande échelle, ce qui est prohibitif et prend du temps », a déclaré Ferraro. « Dans le cas des modes localisés sur les bords et de certains autres phénomènes, le fait de ne pas stabiliser le plasma pourrait entraîner des dommages ou une réduction de la durée de vie des composants dans ces installations, il est donc très important de bien faire les choses. »

Les physiciens utilisent un modèle informatique appelé EPED pour prédire le comportement du plasma dans les tokamaks conventionnels, mais les prédictions produites par le code pour une variété de machines à plasma appelées tokamaks sphériques ne sont pas toujours exactes. Les physiciens étudient les tokamaks sphériques, des installations compactes telles que le National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) au PPPL qui ressemblent à des pommes évidées, comme une conception possible pour une usine pilote de fusion.

À l’aide des ordinateurs puissants du National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie, Kleiner et l’équipe ont essayé d’ajouter de la résistivité à un modèle de plasma et ont constaté que les prédictions commençaient à correspondre. observations.

« Andreas a examiné les données de plusieurs décharges de plasma précédentes et a découvert que les effets résistifs étaient très importants », a déclaré Rajesh Maingi, chef du département des sciences expérimentales du tokamak de PPPL. « Les expériences ont montré que ces effets étaient probablement à l’origine des ELM que nous voyions. Le modèle amélioré pourrait nous montrer comment modifier les profils de plasma dans les futures installations pour se débarrasser des ELM. »

L’utilisation de ces types de modèles informatiques est une procédure standard qui permet aux physiciens de prédire ce que le plasma fera dans les futures machines de fusion et de concevoir ces machines pour que le plasma se comporte de manière à rendre la fusion plus probable. « Fondamentalement, un modèle est un ensemble d’équations mathématiques qui décrit le comportement du plasma », a déclaré Ferraro.

« Et tous les modèles intègrent des hypothèses. Certains modèles, comme celui utilisé dans cette recherche, décrivent le plasma comme un fluide. En général, vous ne pouvez pas avoir un modèle qui inclut toute la physique. Ce serait trop difficile à résoudre. . Vous voulez un modèle suffisamment simple à calculer mais suffisamment complet pour capturer le phénomène qui vous intéresse. Andreas a découvert que la résistivité est l’un des effets physiques que nous devrions inclure dans nos modèles », a-t-il poursuivi.

Cette recherche s’appuie sur des calculs antérieurs menés par Kleiner et d’autres. Il ajoute à ces résultats en analysant davantage de décharges produites par NSTX, la machine précédant NSTX-U, et en étudiant des scénarios où les ELM ne se produisent pas. La recherche a également aidé les scientifiques à déterminer que les instabilités causées par la résistivité sont entraînées par le courant plasma, et non par la pression.

Les recherches futures viseront à déterminer pourquoi la résistivité produit ces types d’instabilités dans les tokamaks sphériques. « Nous ne savons pas encore quelle propriété provoque l’apparition des modes résistifs au bord du plasma. Cela pourrait être le résultat de la géométrie du tore sphérique, du lithium qui recouvre l’intérieur de certaines installations ou de la forme allongée du plasma », a déclaré Kleiner. « Mais cela doit être confirmé par d’autres simulations. »