La résistance dans les parois des cuves du tokamak peut provoquer une perte d’énergie perturbatrice

Dans certaines conditions, les dispositifs de fusion connus sous le nom de tokamaks peuvent subir une perte d’énergie brutale au niveau des parois de la cuve. Les chercheurs appellent ce processus de perte d’énergie une perturbation. L’une des causes est une instabilité magnétohydrodynamique (c’est-à-dire un plasma conducteur dans un champ magnétique) ou un couplage de mode à l’enceinte à vide.

De nouvelles recherches démontrent que le taux de perte d’énergie thermique est compatible avec la croissance d’une instabilité particulière, le mode de déchirure de paroi résistive (RWTM). Des mesures expérimentales montrent que la température du plasma décroît sur une échelle de temps cohérente avec la croissance du mode. Les simulations montrent que le RWTM serait stable en présence d’une paroi parfaitement conductrice, et aussi que le mode instable croît jusqu’à une amplitude suffisante pour provoquer la perte rapide d’énergie du plasma. Cette perte d’énergie rapide est appelée la trempe thermique. L’amplitude simulée et la condition d’apparition sont en accord avec les résultats expérimentaux.

L’objectif de développer l’énergie de fusion pousse les chercheurs à développer des expériences pour le tokamak ITER. Actuellement en construction, ITER sera le tokamak le plus grand et le plus puissant du monde une fois terminé. Cette recherche informe sur la rapidité avec laquelle les trempes thermiques peuvent se produire dans ITER. Cela affectera la manière dont les opérateurs atténuent ces perturbations. Les événements de perturbation incontrôlés dans une grande machine comme ITER peuvent causer des dommages importants au navire et doivent être évités.

Les simulations d’un scénario de référence ITER standard prédisent que le plasma sera instable aux RWTM. Si les trempes thermiques sont pilotées par les RWTM comme observé et modélisé dans les dispositifs existants, alors la trempe thermique dans ITER sera beaucoup plus longue que prévu initialement. Ces informations peuvent aider les opérateurs à modifier le système d’atténuation des perturbations d’ITER, réduisant ainsi les risques associés.

Dans les perturbations de tokamak, l’énergie du plasma est rapidement transportée vers les parois de l’appareil. La durée de ce processus de trempe thermique définit les exigences pour toutes les techniques d’atténuation qui pourraient être appliquées. Dans une recherche récemment publiée dans Physique des plasmas de HRS Fusion et du DIII-D National Fusion Facility, une installation utilisateur du Département de l’énergie, les scientifiques ont détaillé une compréhension basée sur la physique de ce processus en combinant des expériences, des simulations et de la théorie pour étudier l’évolution des instabilités du plasma lors d’une perturbation.

Les simulations démontrent à la fois que la mise à l’échelle du taux de croissance de l’instabilité est conforme aux attentes basées sur la conductivité de la cuve et que le temps de trempe thermique est proportionnel au temps de croissance linéaire. Le taux de croissance et l’amplitude simulés du RWTM sont en accord avec l’échelle de temps de la trempe thermique dans l’expérience. L’extension de ce résultat – du tokamak DIII-D, où la trempe thermique est généralement de quelques millisecondes, à ITER – suggère que la durée de la trempe thermique dans ITER pourrait être de l’ordre de 70 à 100 millisecondes. Il est important de noter que ce travail fournit une base physique pour déterminer l’échelle de temps pertinente dans ITER, et une trempe thermique de plus longue durée réduit les contraintes d’ingénierie sur diverses techniques d’atténuation des perturbations.