Découvrir un obstacle insoupçonné pour les installations de fusion de stellarator

L’enquête sur un problème potentiellement critique avec les stellarators magnétiques sinueux, des candidats prometteurs pour servir de modèles pour une usine pilote de fusion américaine, a clarifié l’impact potentiel d’une préoccupation largement ignorée.

La découverte au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) montre comment des changements périodiques dans la force et la forme des champs magnétiques stellaires peuvent, dans certaines conditions théoriques, faciliter la perte rapide de confinement des particules de plasma à haute énergie. qui alimentent les réactions de fusion.

Haute énergie

« Si vous voulez faire de la fusion nucléaire, vous devez avoir une énergie élevée », a déclaré Roscoe White, physicien senior du PPPL, auteur principal d’un Physique des plasmas article que les éditeurs ont sélectionné comme « scilight » ou point culminant scientifique.

Son article identifie un nouveau type de perte de particules énergétiques, a déclaré Felix Parra Diaz, chef du département de théorie au PPPL. « Les études se sont jusqu’à présent concentrées sur le contrôle d’autres types de pertes énergétiques dominantes, et nous essayons maintenant de réduire encore plus les pertes de particules énergétiques », a déclaré Parra Diaz. « Le document sur lequel ces découvertes sont basées identifie un mécanisme que nous devons inclure lors de la conception de la forme optimale des champs magnétiques des stellarators.

« Bien que ce mécanisme soit inclus dans nos analyses plus détaillées des configurations de stellarator parmi de nombreux autres effets, il n’a pas été identifié comme un problème qui devait être résolu. Nous ne pouvons pas utiliser d’analyse détaillée pour l’optimisation du stellarator en raison de son coût de calcul. C’est pourquoi L’article de Roscoe est important : il identifie le problème et propose un moyen efficace d’évaluer et d’optimiser la forme du stellarator pour l’éviter. Cela nous donne l’opportunité de développer des configurations de stellarator encore meilleures que celles existantes. »

Les mécanismes à l’origine de ce problème sont ce que l’on appelle des « résonances », qui décrivent les trajectoires suivies par les particules lorsqu’elles orbitent autour des champs magnétiques qui circulent autour de la machine. Lorsque les particules résonnent, elles reviennent à plusieurs reprises au point de départ. De tels retours permettent aux instabilités, ou modes, dans le gaz plasma chaud et chargé de créer ce qu’on appelle des îlots sur le chemin des orbites, permettant aux particules et à leur énergie d’échapper au confinement.

White a utilisé un code logiciel à grande vitesse pour rechercher des instabilités appelées « modes Alfven » qui peuvent créer des îles dans des tokamaks en forme de beignet, qui sont des installations de fusion expérimentales plus largement utilisées. « Alors j’ai pensé: » D’accord « , je vais aussi regarder les stellarators », a-t-il déclaré. Et dans les stellarators, « quelque chose de très différent se passe », a-t-il découvert.

Modes non nécessaires

« Il s’avère que dans un stellarator, vous n’avez pas besoin de modes », a déclaré White. « Dans les stellarators, lorsque le nombre de changements périodiques dans l’orbite des particules résonnantes à haute énergie correspond au nombre de changements périodiques dans le champ magnétique, des pertes de particules peuvent se produire », a-t-il déclaré. « C’est comme pousser un enfant sur une balançoire. Lorsque vous voulez que l’enfant se balance de plus en plus haut, chaque fois que la balançoire revient vers vous, vous la poussez à nouveau, et c’est une poussée en résonance », a-t-il déclaré.

Pour White, « Le problème jusqu’à présent est que les gens se sont concentrés sur la forme du champ magnétique. Mais les particules en orbite à haute énergie dérivent à travers le champ, vous devez donc également prendre en compte les orbites des particules. »

À l’avenir, a-t-il dit, « voir si les résonances des particules dans les stellarators correspondent à la période du champ magnétique doit entrer dans les conditions de conception pour trouver un bon réacteur ».