Des scientifiques proposent une solution à un problème de fusion déroutant depuis longtemps

Le paradoxe a surpris les scientifiques du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) il y a plus d’une douzaine d’années. Plus ils transmettaient de chaleur dans un tokamak sphérique, une installation magnétique conçue pour reproduire l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles, moins la température centrale augmentait.

Grand mystère

« Normalement, plus vous mettez de puissance de faisceau, plus la température augmente », a déclaré Stephen Jardin, chef du groupe de théorie et de science informatique qui a effectué les calculs, et auteur principal d’une proposition d’explication publiée dans Lettres d’examen physique. « Alors c’était un grand mystère : pourquoi cela arrive-t-il ? »

Résoudre le mystère pourrait contribuer aux efforts déployés dans le monde entier pour créer et contrôler la fusion sur Terre afin de produire une source pratiquement inépuisable d’énergie sûre, propre et sans carbone pour produire de l’électricité tout en luttant contre le changement climatique. La fusion combine des éléments légers sous forme de plasma pour libérer des quantités massives d’énergie.

Grâce à de récentes simulations informatiques à haute résolution, Jardin et ses collègues ont montré ce qui peut faire en sorte que la température reste plate ou même diminue au centre du plasma qui alimente les réactions de fusion, même si plus de puissance de chauffage est transmise. L’augmentation de la puissance augmente également la pression dans le plasma au point où le plasma devient instable et le mouvement du plasma aplatit la température, ont-ils découvert.

« Ces simulations expliquent probablement une observation expérimentale faite il y a plus de 12 ans », a déclaré Jardin. « Les résultats indiquent que lors de la conception et de l’exploitation d’expériences de tokamak sphérique, il faut veiller à ce que la pression du plasma ne dépasse pas certaines valeurs critiques à certains endroits du [facility] », a-t-il déclaré. « Et nous avons maintenant un moyen de quantifier ces valeurs grâce à des simulations informatiques. »

Les résultats mettent en évidence un obstacle majeur que les chercheurs doivent éviter lorsqu’ils cherchent à reproduire des réactions de fusion dans des tokamaks sphériques – des dispositifs en forme de pommes évidées plutôt que des tokamaks conventionnels en forme de beignet plus largement utilisés. Les dispositifs sphériques produisent des champs magnétiques rentables et sont candidats pour devenir des modèles pour une centrale à fusion pilote.

Les chercheurs ont simulé des expériences passées sur la National Spherical Torus Experiment (NSTX), l’installation de fusion phare de PPPL qui a depuis été améliorée et où le comportement déroutant du plasma avait été observé. Les résultats correspondaient largement à ceux trouvés dans les expériences NSTX.

« Grâce à NSTX, nous avons obtenu les données et grâce à un programme du DOE appelé SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] nous avons développé le code informatique que nous avons utilisé », a déclaré Jardin.

Le physicien et co-auteur Nate Ferraro de PPPL a déclaré : « Le programme SciDAC a joué un rôle absolument déterminant dans le développement du code. »

Mécanisme découvert

Le mécanisme découvert a provoqué une pression accrue à certains endroits pour briser les surfaces magnétiques imbriquées formées par les champs magnétiques qui s’enroulent autour du tokamak pour confiner le plasma. La rupture a aplati la température des électrons à l’intérieur du plasma et a ainsi empêché la température au centre du gaz chaud et chargé de monter à des niveaux pertinents pour la fusion.

« Donc, ce que nous pensons maintenant, c’est que lorsque vous augmentez la puissance du faisceau injecté, vous augmentez également la pression du plasma, et vous arrivez à un certain point où la pression commence à détruire les surfaces magnétiques près du centre du tokamak », a déclaré Jardin,  » et c’est pourquoi la température cesse de monter. »

Ce mécanisme pourrait être général dans les tokamaks sphériques, a-t-il dit, et la possible destruction des surfaces doit être prise en compte lors de la planification des futurs tokamaks sphériques.

Jardin prévoit de continuer à étudier le processus pour mieux comprendre la destruction des surfaces magnétiques et pourquoi il semble plus probable dans les tokamaks sphériques que conventionnels. Il a également été invité à présenter ses découvertes à la réunion annuelle de l’American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) en octobre, où des scientifiques en début de carrière pourraient être recrutés pour aborder la question et étoffer les détails de la mécanisme proposé.