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Comment discipliner le plasma indiscipliné – –

by Les Actualites

Le processus conçu pour récolter sur Terre l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles peut parfois être trompé. Des chercheurs du laboratoire de physique du plasma de Princeton du département américain de l’énergie (DOE) ont dérivé et démontré un peu de “quasi-symétrie” qui pourrait accélérer le développement de l’énergie de fusion en tant que source sûre, propre et pratiquement illimitée de puissance pour produire de l’électricité.

Les réactions de fusion combinent des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et de noyaux atomiques qui composent 99% de l’univers visible – pour générer des quantités massives d’énergie. Des scientifiques du monde entier cherchent à reproduire le processus dans des installations de fusion en forme de beignet appelées tokamaks qui chauffent le plasma à des températures d’un million de degrés et le confinent dans des champs magnétiques symétriques produits par des bobines pour créer des réactions de fusion.

Question cruciale

Un problème crucial pour ces efforts est de maintenir la rotation rapide du plasma en forme de beignet qui tourbillonne dans un tokamak. Cependant, de petites distorsions ou ondulations du champ magnétique causées par un mauvais alignement des bobines de champ magnétique peuvent ralentir le mouvement du plasma, le rendant plus instable. Les désalignements des bobines et les ondulations de champ qui en résultent sont minuscules, aussi petits qu’une partie sur 10 000 parties du champ, mais ils peuvent avoir un impact significatif.

Le maintien de la stabilité des futurs tokamaks comme ITER, l’installation internationale montée en France pour démontrer la faisabilité de l’énergie de fusion, sera essentiel pour récolter l’énergie pour produire de l’électricité. Une façon de minimiser l’impact des ondulations de champ consiste à ajouter des aimants supplémentaires pour annuler ou guérir l’effet des erreurs de champ magnétique. Cependant, les ondulations de champ ne peuvent jamais être complètement annulées et il n’y a pas eu jusqu’à présent de méthode optimale pour atténuer leurs effets.

La méthode récemment découverte consiste à tromper les particules de plasma tourbillonnantes en annulant les erreurs de champ magnétique le long de leur trajet. “Un moyen de préserver la rotation tout en assurant la stabilité est de changer la forme du champ magnétique de sorte que les particules soient dupées en pensant qu’elles ne se déplacent pas dans un champ magnétique ondulé”, a déclaré le physicien PPPL Jong-Kyu Park, auteur principal d’un papier dans Lettres d’examen physique (PRL) qui propose une solution. “Nous devons rendre le champ 3D à l’intérieur du plasma quasi-symétrique pour inciter les particules à se comporter comme si elles n’étaient pas affectées par les champs”, a déclaré Park.

Quasi-symétrie

La quasi-symétrie, une forme de symétrie du champ magnétique introduite par les physiciens qui étudient les systèmes de confinement magnétique sinueux appelés stellarateurs, peut être utilisée pour minimiser les effets négatifs des champs 3D dans les tokamaks. Une telle minimisation peut améliorer à la fois le confinement énergétique et la stabilité du plasma en augmentant son écoulement rotationnel.

«Si vous pouvez modifier ces champs 3D pour réduire la tendance des particules à s’éloigner de leur point de départ, alors nous pouvons maintenir la rotation naturelle du plasma et le confinement des particules et de la chaleur», a déclaré le physicien PPPL Raffi Nazikian, co-auteur du papier.

Park et ses collègues ont démontré l’utilisation de la quasi-symétrie pour rendre pratiquement inoffensifs les ondulations du champ d’erreur dans les tokamaks. Les tests sur l’installation de fusion nationale DIII-D de General Atomics (GA) à San Diego et l’installation de recherche avancée sur le tokamak supraconducteur coréen (KSTAR) en Corée du Sud ont donné des résultats positifs. Le processus “fournit une voie fiable d’optimisation complète du champ d’erreur dans les plasmas de combustion par fusion”, selon l’article.

Bien que de telles optimisations soient vitales, les scientifiques utilisent généralement les ondulations du champ magnétique pour faire face à d’autres problèmes. Par exemple, sur DIII-D, les chercheurs ont utilisé des bobines spéciales pour réduire ou éliminer les modes localisés aux bords (ELM) – des explosions de chaleur qui peuvent endommager l’intérieur des tokamaks.

Exemples importants

De tels cas sont l’exemple le plus important de la bonne utilisation des ondulations et les nouvelles découvertes marquent une percée dans le traitement des mauvaises. “Jong-Kyu a utilisé les algorithmes pour adapter les champs magnétiques tridimensionnels gênants du tokamak à un nouveau niveau”, a déclaré Carlos Paz-Soldan, co-auteur de l’article en tant que physicien DIII-D et maintenant professeur associé à l’Université de Columbia. . “Ce cadre sera certainement la base sur laquelle les futures stratégies de contrôle pour ces champs seront développées”, a déclaré Paz-Soldan.

Les scientifiques poursuivent également activement le concept de quasi-symétrie pour optimiser la conception des installations de fusion stellarator qui fonctionnent intrinsèquement avec des champs 3D. Le concept a démontré son succès en minimisant la perte de chaleur et de particules dans les stellarators, un problème de longue date avec les installations en forme de cruller qui utilisent un ensemble de bobines torsadées complexes qui spiralent comme des rayures sur une canne à sucre pour produire des champs magnétiques.

Le travail de stellarator illustre la vaste applicabilité de la quasi-symétrie dans la recherche sur la fusion. La prochaine étape, a déclaré Park, consistera à appliquer le concept à ITER, “afin que nous puissions faire un bon travail pour corriger les champs d’erreur dans ce tokamak.”

Les co-auteurs de cet article comprennent des physiciens du PPPL, de General Atomics et de l’Institut coréen de l’énergie de fusion. Le soutien à ce travail provient du Bureau des sciences du DOE et du Ministère coréen des sciences et des TIC.

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