Refroidissement du plasma à 100 millions de degrés avec une pastille de glace à mélange hydrogène-néon

À ITER, le plus grand réacteur de fusion expérimental au monde, actuellement en construction en France grâce à une coopération internationale, l’arrêt brutal du confinement magnétique d’un plasma à haute température par une soi-disant « disruption » pose un problème ouvert majeur. En contre-mesure, les techniques d’atténuation des perturbations, qui permettent de refroidir de force le plasma lorsque des signes d’instabilité du plasma sont détectés, font l’objet de recherches intensives dans le monde entier.

Maintenant, une équipe de chercheurs japonais des National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) et du National Institute for Fusion Science (NIFS) du National Institute of National Sciences (NINS) a découvert qu’en ajoutant environ 5 % de néon à une pastille de glace à l’hydrogène, il est possible de refroidir le plasma plus profondément sous sa surface et donc plus efficacement que lorsque des pastilles de glace d’hydrogène pur sont injectées.

À l’aide de modèles théoriques et de mesures expérimentales avec des diagnostics avancés au Large Helical Device appartenant au NIFS, les chercheurs ont clarifié la dynamique du plasmoïde dense qui se forme autour de la pastille de glace et identifié les mécanismes physiques responsables de l’amélioration réussie des performances du système de refroidissement forcé. , indispensable pour mener à bien les expériences d’ITER. Ces résultats contribueront à la mise en place de technologies de contrôle du plasma pour les futurs réacteurs de fusion. Le rapport de l’équipe a été mis en ligne en Lettres d’examen physique.

La construction du plus grand réacteur de fusion expérimental au monde, ITER, est en cours en France grâce à une coopération internationale. À ITER, des expériences seront menées pour générer une énergie de fusion de 500 MW en maintenant « l’état de combustion » du plasma isotopique de l’hydrogène à plus de 100 millions de degrés. L’un des obstacles majeurs à la réussite de ces expériences est un phénomène dit de « perturbation » au cours duquel la configuration du champ magnétique utilisé pour confiner le plasma s’effondre en raison d’instabilités magnétohydrodynamiques.

La perturbation provoque l’écoulement du plasma à haute température dans la surface interne du récipient contenant, entraînant des dommages structurels qui, à leur tour, peuvent entraîner des retards dans le calendrier expérimental et des coûts plus élevés. Bien que la machine et les conditions de fonctionnement d’ITER aient été soigneusement conçues pour éviter les perturbations, des incertitudes subsistent et pour un certain nombre d’expériences, une stratégie de protection de la machine dédiée est nécessaire en tant que sauvegarde.

Une solution prometteuse à ce problème est une technique appelée « atténuation des perturbations », qui refroidit de force le plasma au stade où les premiers signes d’instabilité pouvant provoquer une perturbation sont détectés, empêchant ainsi d’endommager les composants matériels faisant face au plasma. Comme stratégie de base, les chercheurs développent une méthode utilisant des pastilles de glace d’hydrogène congelées à des températures inférieures à 10 Kelvin et l’injectant dans un plasma à haute température.

La glace injectée fond de la surface et s’évapore et s’ionise en raison du chauffage par le plasma ambiant à haute température, formant une couche de plasma basse température et haute densité (ci-après dénommé « plasmoïde ») autour de la glace. Un tel plasmoïde à basse température et haute densité se mélange au plasma principal, dont la température est réduite au cours du processus. Cependant, dans des expériences récentes, il est devenu clair que lorsque de la glace d’hydrogène pure est utilisée, le plasmoïde est éjecté avant de pouvoir se mélanger au plasma cible, ce qui le rend inefficace pour refroidir le plasma à haute température plus profondément sous la surface.

Cette éjection a été attribuée à la haute pression du plasmoïde. Qualitativement, un plasma confiné dans un champ magnétique en forme de beignet a tendance à se dilater vers l’extérieur proportionnellement à la pression. Les plasmoïdes, formés par la fusion et l’ionisation de la glace d’hydrogène, sont froids mais très denses. Étant donné que l’équilibrage de température est beaucoup plus rapide que l’équilibrage de densité, la pression plasmoïde s’élève au-dessus de celle du plasma cible chaud. La conséquence est que le plasmoïde devient polarisé et subit un mouvement de dérive à travers le champ magnétique, de sorte qu’il se propage vers l’extérieur avant de pouvoir se mélanger complètement avec le plasma cible chaud.

Une solution à ce problème a été proposée à partir d’une analyse théorique : les calculs du modèle ont prédit qu’en mélangeant une petite quantité de néon dans de l’hydrogène, la pression du plasmoïde pourrait être réduite. Le néon gèle à une température d’environ 20 Kelvin et produit un fort rayonnement linéaire dans le plasmoïde. Par conséquent, si le néon est mélangé à de la glace d’hydrogène avant injection, une partie de l’énergie de chauffage peut être émise sous forme d’énergie photonique.

Pour démontrer un tel effet bénéfique de l’utilisation d’un mélange hydrogène-néon, une série d’expériences a été menée dans le Large Helical Device (LHD) situé à Toki, au Japon. Depuis de nombreuses années, le LHD exploite un appareil appelé « injecteur de pastilles d’hydrogène solide » à haute fiabilité, qui injecte des pastilles de glace d’un diamètre d’environ 3 mm à la vitesse de 1100 m/s. Grâce à la grande fiabilité du système, il est possible d’injecter de la glace d’hydrogène dans le plasma avec une précision temporelle de 1 ms, ce qui permet de mesurer la température et la densité du plasma juste après la fonte de la glace injectée.

Récemment, la résolution temporelle la plus élevée au monde pour la diffusion Thomson (TS) de 20 kHz a été atteinte dans le système LHD à l’aide d’une nouvelle technologie laser. Grâce à ce système, l’équipe de recherche a capturé l’évolution des plasmoïdes. Ils ont découvert que, comme prédit par des calculs théoriques, l’éjection de plasmoïdes était supprimée lorsque la glace d’hydrogène était dopée avec environ 5 % de néon, contrairement au cas où de la glace d’hydrogène pure était injectée. De plus, les expériences ont confirmé que le néon joue un rôle utile dans le refroidissement efficace du plasma.

Les résultats de cette étude montrent pour la première fois que l’injection de pastilles de glace d’hydrogène dopées avec une petite quantité de néon dans un plasma à haute température est utile pour refroidir efficacement la région centrale profonde du plasma en supprimant l’éjection de plasmoïde. Cet effet du dopage au néon est non seulement intéressant en tant que nouveau phénomène expérimental, mais soutient également le développement de la stratégie de base d’atténuation des perturbations dans ITER. L’examen de la conception du système d’atténuation des perturbations d’ITER est prévu pour 2023, et les résultats actuels contribueront à améliorer les performances du système.