Les scientifiques ont trouvé un raccourci mathématique qui pourrait aider à exploiter l’énergie de fusion, une source potentielle d’électricité propre qui pourrait atténuer les inondations, les vagues de chaleur et d’autres effets croissants du changement climatique. La méthode permet aux chercheurs de prédire plus facilement dans quelle mesure un stellarator – un dispositif sinueux conçu pour reproduire l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles – peut retenir la chaleur cruciale pour les réactions de fusion.
La technique mesure dans quelle mesure le champ magnétique d’un stellarator peut retenir les noyaux atomiques les plus rapides dans le plasma, augmentant la chaleur globale et facilitant les réactions de fusion. Mais comment les scientifiques peuvent-ils trouver une forme qui retienne le plus de chaleur possible ?
Trouver des cages magnétiques qui retiennent la chaleur
« Nous ne pouvons pas simuler les mouvements de toutes les particules individuelles dans tous les champs magnétiques possibles, cela nécessiterait une puissance de calcul presque infinie », a déclaré Alexandra LeViness, étudiante diplômée en physique des plasmas au Princeton Plasma du Département américain de l’énergie (DOE). Laboratoire de Physique (PPPL). « Au lieu de cela, nous devons utiliser un raccourci », a déclaré LeViness, auteur principal de l’article rapportant les résultats dans la revue. La fusion nucléaire.
« Cette recherche montre que nous pouvons trouver la meilleure forme de champ magnétique pour confiner la chaleur en calculant quelque chose de plus simple – à quelle distance les particules rapides s’éloignent des surfaces de champ magnétique incurvées au centre du plasma », a déclaré LeViness. « Ce comportement est décrit par un nombre connu sous le nom de gamma C, qui, nous l’avons découvert, correspond systématiquement au confinement du plasma. »
En effet, le raccourci fait progresser la recherche future sur les stellarateurs, a déclaré LeViness, « parce que plus les particules se déplaçant rapidement restent au centre du plasma, plus le carburant est chaud et plus le stellarator sera efficace ».
L’histoire et l’avenir de la fusion
La fusion libère de grandes quantités d’énergie en combinant des éléments légers sous forme de plasma, l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et de noyaux atomiques qui représente 99 % de l’univers visible. Les scientifiques du monde entier cherchent à exploiter les réactions de fusion pour créer un approvisionnement pratiquement inépuisable d’énergie sûre et propre pour produire de l’électricité.
PPPL a plus d’un demi-siècle d’expérience dans le développement des connaissances scientifiques théoriques et de l’ingénierie avancée pour permettre à la fusion d’alimenter les États-Unis et le monde. Dans le même temps, le Laboratoire a depuis longtemps fait progresser la compréhension scientifique de base de l’univers du plasma, du laboratoire aux échelles astrophysiques.
Les stellarators, développés par le fondateur de PPPL Lyman Spitzer dans les années 1950, fonctionnent sans risque de perturbations dommageables auxquelles sont confrontés les dispositifs de fusion en forme de beignet appelés tokamaks. Mais les stellarators ont longtemps été incapables de retenir la chaleur aussi bien que les tokamaks, qui ont des champs magnétiques similaires.
« Mais en utilisant des techniques comme celle étudiée par LeViness, nous avons pu trouver des configurations magnétiques pour les stellarators qui contiennent de la chaleur aussi bien que les tokamaks », a déclaré Elizabeth Paul, professeure adjointe de physique appliquée à l’Université de Columbia. « C’est plus difficile pour les stellarators, mais LeViness a aidé à montrer que c’est possible », a déclaré Paul, ancien membre présidentiel de l’Université de Princeton.
Plus d’information:
Alexandra LeViness et al, Optimisation des particules énergétiques des équilibres stellaires quasi-axisymétriques, La fusion nucléaire (2022). DOI : 10.1088/1741-4326/aca4e3