Créer une île paradisiaque dans un réacteur de fusion

La fusion nucléaire, source d’énergie propre et inépuisable, suscite un intérêt croissant dans la communauté scientifique. Les chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) ont récemment démontré comment deux méthodes existantes de gestion du plasma peuvent être combinées pour offrir une plus grande flexibilité dans la production d’électricité par fusion.

Les deux méthodes en question, connues sous les noms de pilotage du courant par électrons cyclotroniques (ECCD) et d’application de perturbations magnétiques résonantes (RMP), ont été longuement étudiées séparément. Cependant, c’est la première fois que des chercheurs simulent leur utilisation conjointe pour améliorer le contrôle du plasma.

Qiming Hu, physicien de recherche au PPPL et auteur principal d’un nouvel article publié dans Nuclear Fusion, explique : « C’est une idée assez nouvelle. Toutes les possibilités n’ont pas encore été explorées, mais notre article contribue grandement à faire progresser notre compréhension des avantages potentiels. »

Surmonter les défis pour générer de l’électricité par fusion

Pour utiliser la fusion comme source d’électricité, les scientifiques devront surmonter plusieurs obstacles, notamment perfectionner les méthodes permettant de minimiser les bouffées de particules provenant du plasma, connues sous le nom de modes localisés au bord (ELM).

Alessandro Bortolon, physicien de recherche principal au PPPL et co-auteur de l’article, explique : « Le meilleur moyen que nous ayons trouvé pour éviter les ELM est d’appliquer des perturbations magnétiques résonantes, ou RMP, qui génèrent des champs magnétiques supplémentaires. »

Les champs magnétiques créent des îlots, les micro-ondes les ajustent

Les champs magnétiques supplémentaires créés par les RMP traversent le plasma, s’entrecroisant comme les points d’un couturier. Ces champs produisent des îlots magnétiques de forme ovale ou circulaire dans le plasma.

Qiming Hu souligne : « Normalement, les îlots dans les plasmas sont vraiment, vraiment mauvais. Si les îlots sont trop grands, le plasma lui-même peut se rompre. » Les chercheurs savaient déjà expérimentalement que, dans certaines conditions, les îlots peuvent être bénéfiques.

L’injection de faisceaux micro-ondes permet d’ajuster la taille des îlots

L’ajout d’ECCD, qui est essentiellement une injection de faisceaux micro-ondes, au bord du plasma réduit la quantité de courant nécessaire pour générer les RMP nécessaires à la création des îlots. Cette injection a également permis aux chercheurs de perfectionner la taille des îlots pour une stabilité maximale du bord du plasma.

Qiming Hu explique : « Notre simulation affine notre compréhension des interactions en jeu. Lorsque l’ECCD a été ajouté dans la même direction que le courant dans le plasma, la largeur de l’îlot a diminué et la pression du piédestal a augmenté. L’application de l’ECCD dans la direction opposée a produit des résultats inverses, avec une augmentation de la largeur de l’îlot et une baisse de la pression du piédestal ou une facilitation de l’ouverture de l’îlot. »

L’ECCD au bord, plutôt qu’au cœur du plasma

Cette recherche est également remarquable car l’ECCD a été ajouté au bord du plasma au lieu du cœur, où il est généralement utilisé. Qiming Hu souligne : « Nous avons montré que c’est faisable et nous avons démontré la flexibilité de l’approche. Cela pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la conception de futurs dispositifs. »

En réduisant la quantité de courant nécessaire pour générer les RMP, ce travail de simulation pourrait à terme conduire à une réduction du coût de la production d’énergie de fusion dans les dispositifs de fusion à l’échelle commerciale du futur.

Illustration principale / Crédit d’illustration : Kyle Palmer / Service de communication du PPPL