Fusion : l’efficacité du chauffage du plasma renforcée par des écrans métalliques

La quête de l’énergie de fusion nécessite des solutions ingénieuses pour chauffer le plasma à des températures extrêmement élevées. Cependant, certaines techniques traditionnelles de chauffage peuvent entraîner des pertes d’énergie inutiles. Des scientifiques ont résolu un problème majeur de perte d’énergie dans les réacteurs de fusion.

Le chauffage du plasma aux températures ultra-élevées requises pour les réactions de fusion ne se résume pas à une simple augmentation de la température. Les scientifiques examinent diverses méthodes, dont une consiste à injecter des ondes électromagnétiques dans le plasma, un procédé similaire à celui utilisé pour chauffer des aliments dans un four à micro-ondes. Toutefois, la génération d’un type d’onde de chauffage peut aussi engendrer un autre type d’onde qui ne contribue pas au chauffage du plasma, entraînant ainsi une perte d’énergie.

Une solution innovante pour optimiser l’efficacité

Face à ce problème, des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département de l’Énergie des États-Unis ont mené des simulations informatiques. Ils ont confirmé l’efficacité d’une technique qui empêche la formation de ces ondes inutiles, nommées modes lents. Cette approche permet d’augmenter la chaleur injectée dans le plasma et d’améliorer l’efficacité des réactions de fusion.

« Les scientifiques ont utilisé pour la première fois des simulations informatiques en 2D pour explorer comment réduire les modes lents », a déclaré Eun-Hwa Kim, physicienne principale de recherche au PPPL et auteure principale de l’article publié dans Physics of Plasmas. Elle a ajouté : « Les résultats pourraient mener à un chauffage du plasma plus efficace et potentiellement simplifier le chemin vers l’énergie de fusion. »

Le rôle stratégique de l’écran de Faraday

L’équipe, incluant des chercheurs de General Atomics travaillant sur le tokamak DIII-D, a découvert que l’installation d’un écran métallique, connu sous le nom décran de Faraday, incliné de cinq degrés par rapport à l’antenne qui produit les ondes de chauffage, ou ondes héliconales, empêche la production des modes lents. Les chercheurs évitent la création de ces modes car, contrairement aux ondes héliconales, ils ne peuvent pas pénétrer les lignes de champ magnétique qui confinent le plasma pour chauffer le cœur où les réactions de fusion sont les plus actives. De plus, les modes lents sont facilement atténués par le plasma lui-même, ce qui signifie que l’énergie dépensée pour les créer est perdue pour le chauffage du plasma et la promotion des réactions de fusion.

Pour leurs simulations, les chercheurs ont utilisé le code informatique Petra-M, un outil puissant et polyvalent pour modéliser les ondes électromagnétiques dans les dispositifs de fusion et les plasmas spatiaux. Ils ont reproduit les conditions du tokamak DIII-D, un dispositif en forme de beignet géré par General Atomics pour le département de l’Énergie. Une série d’expériences virtuelles a été menée pour déterminer l’impact de divers facteurs sur la production des modes lents : l’alignement de l’antenne, l’alignement de l’écran de Faraday ou la densité des petites particules appelées électrons devant l’antenne. Les simulations ont confirmé les suggestions antérieures selon lesquelles un écran de Faraday incliné de cinq degrés ou moins par rapport à l’antenne court-circuite efficacement les modes lents, les empêchant de se propager dans le plasma.

Sensibilité et ajustements futurs

La suppression des modes lents dépend beaucoup de l’inclinaison de l’écran de Faraday. « Nous avons découvert que lorsque l’orientation de l’écran dépasse de peu les cinq degrés, les modes lents augmentent considérablement », a expliqué Masayuki Ono, physicien principal de recherche au PPPL et co-auteur de l’article. Il a ajouté : « Nous avons été surpris par la sensibilité du développement des modes lents à l’alignement de l’écran. »

Ces informations pourraient être utilisées pour ajuster la conception des nouvelles installations de fusion afin de rendre leur chauffage plus puissant et efficient. À l’avenir, les scientifiques prévoient d’améliorer leur compréhension de la prévention des modes lents en réalisant des simulations informatiques qui prennent en compte davantage de propriétés du plasma et intègrent plus d’informations concernant l’antenne.

Légende illustration : Représentation artistique d’un écran métallique filtrant les ondes électromagnétiques de chauffage. Credit Kyle Palmer / PPPL Communications Department

Article : ‘Full-wave simulations on helicon and parasitic excitation of slow waves near the edge plasma’ / ( 10.1063/5.0222413 ) – DOE/Princeton Plasma Physics Laboratory – Publication dans la revue Physics of Plasmas / 2-Oct-2024