Des scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) ont affiné l’utilisation des champs magnétiques pour améliorer les performances des installations de fusion en forme de beignet connues sous le nom de tokamaks. La technique améliorée protège les pièces internes contre les dommages causés par des instabilités appelées « modes localisés sur les bords » (ELM) et permet aux tokamaks de fonctionner plus longtemps sans s’arrêter.
« Notre principal résultat est que nous avons montré que notre technique peut supprimer les ELM tout en maximisant les performances du plasma », a déclaré Ricardo Shousha, étudiant diplômé du groupe de contrôle du plasma du département de génie mécanique et aérospatial de l’Université de Princeton, affilié au PPPL. Shousha est l’auteur principal d’un article rapportant les résultats de Physique des plasmas.
La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma, l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et de noyaux atomiques, qui génère d’énormes quantités d’énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable en énergie pour produire de l’électricité.
Les chercheurs ont utilisé l’installation KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) pour étudier les conditions dans lesquelles le centre du plasma devient particulièrement chaud et dense. Cet état souhaitable, connu sous le nom de mode H, peut se produire lorsqu’il existe une séparation nette entre le centre et le bord le plus froid ; les scientifiques veulent que le plasma soit en mode H car il produit des réactions de fusion plus efficaces. Mais parce que la température et la densité des deux régions sont si radicalement différentes, des instabilités ELM se forment le long de la frontière, tout comme des orages peuvent se former là où les fronts chauds et froids se rencontrent. Ces instabilités peuvent provoquer des poussées ressemblant à des éruptions solaires, de gigantesques rots de plasma qui éclatent de la surface du soleil.
Lorsque ces événements se produisent dans les tokamaks, ils peuvent endommager les parois internes et les composants, obligeant la machine à s’arrêter pour réparation. Le risque est encore plus élevé pour ITER, le tokamak multinational en cours de construction à Cadarache, en France, pour prouver la faisabilité de la fusion en tant que source d’énergie à grande échelle et sans carbone, car cet appareil créera un plasma qui a beaucoup plus de chaleur et de puissance que les plasmas tokamak actuels le font.
Les physiciens ont donc un dilemme. Ils veulent que le plasma soit en mode H, mais le mode H entraîne des instabilités qui pourraient endommager le tokamak. Shousha et les autres chercheurs se sont concentrés sur l’utilisation de champs magnétiques pour réduire les instabilités, une méthode découverte en 2003. Les champs appliqués réduisent les instabilités en permettant aux particules de traverser la frontière. Mais un effet secondaire est que le plasma se refroidit et les réactions de fusion deviennent moins efficaces.
L’équipe de recherche a résolu ce problème en combinant des aimants avec un système de rétroaction. La combinaison détermine le champ magnétique le plus faible qui peut supprimer les ELM tout en minimisant à quel point les champs dégradent les conditions du mode H. « C’est la nouvelle partie de notre recherche », a déclaré Shousha.
Les résultats sont dus au dévouement des étudiants diplômés couplé à un réseau international de chercheurs et d’institutions. « Faire partie de PPPL et de l’Université de Princeton est une excellente opportunité pour les étudiants diplômés », a déclaré Egemen Kolemen, professeur agrégé au département d’ingénierie mécanique et aérospatiale de l’Université de Princeton, qui a un rendez-vous conjoint avec PPPL et est co-auteur de l’article. « Ils peuvent mener des expériences n’importe où dans le monde – aux États-Unis, en Chine, en Allemagne, en Corée du Sud – et ils ont la possibilité de contrôler ces machines puissantes. Et ils s’en sortent très bien. Tant qu’ils ont la volonté, nous avons le moyen ». . »
Les scientifiques prévoient d’affiner leur système afin qu’il puisse détecter les signaux qui annoncent l’arrivée des ELM afin que les aimants puissent commencer à les empêcher avant qu’ils ne surviennent. « L’idée est que si nous pouvons détecter rapidement ces signaux précurseurs, nous pouvons agir avant que l’ELM imminent n’apparaisse et potentiellement l’empêcher », a déclaré Shousha.
R. Shousha et al, Conception et démonstration expérimentale d’un contrôleur RMP ELM adaptatif à rétroaction vers une suppression complète des ELM à impulsions longues sur KSTAR, Physique des plasmas (2022). DOI : 10.1063/5.0081928