Les expériences sur le tokamak EAST dépassent la limite de densité du plasma

Les chercheurs travaillant sur le tokamak supraconducteur avancé expérimental (EAST) de la Chine ont accédé expérimentalement à un régime « sans densité » théorisé pour les plasmas de fusion, atteignant une opération stable à des densités bien au-delà des limites conventionnelles. Les résultats, rapportés dans Science Advances le 1er janvier, fournissent de nouvelles perspectives pour surmonter l’un des obstacles physiques les plus persistants sur la voie de l’allumage de la fusion nucléaire.

L’étude a été co-dirigée par le professeur ZHU Ping de l’Université des sciences et technologies de Huazhong et le professeur associé YAN Ning des Instituts de sciences physiques de Hefei de l’Académie chinoise des sciences. En réalisant un nouveau schéma opératoire à haute densité sur EAST, l’équipe a démontré que la densité du plasma, longtemps contrainte par des limites empiriques dans l’opération des tokamaks, peut être substantiellement étendue sans déclencher d’instabilités disruptives.

La fusion nucléaire est largement considérée comme une source d’énergie propre et durable prometteuse. Pour les réactions de fusion deutérium-tritium, les plasmas doivent être chauffés à une température optimale d’environ 13 keV (150 millions de kelvins). Dans ces conditions, la puissance thermonucléaire est proportionnelle au carré de la densité du combustible. Cependant, dans l’opération conventionnelle des tokamaks, la densité du plasma a longtemps été restreinte par une limite supérieure empirique. Dépasser cette limite conduit souvent à des instabilités qui perturbent le confinement du plasma et mettent en danger l’opération du tokamak, posant un défi majeur pour améliorer les performances de la fusion.

Le développement récent de la théorie de l’auto-organisation plasma-paroi (PWSO) fournit une nouvelle perspective pour comprendre la limite de densité disruptive. PWSO a été initialement proposée par D.F. Escande et al. du Centre national de la recherche scientifique français et de l’Université d’Aix-Marseille. La théorie prédit qu’un nouveau régime sans densité pourrait être atteint en réalisant un équilibre délicat entre le plasma et les parois métalliques de l’appareil, qui sont dominées par la pulvérisation physique.  

Le concept physique du régime sans densité a été vérifié pour la première fois sur EAST dans ce travail. Les expériences EAST combinent le contrôle de la pression initiale du gaz combustible avec le chauffage par résonance cyclotronique électronique pendant la phase de démarrage, permettant une optimisation efficace des interactions plasma-paroi dès le début de la décharge. Grâce à cette approche, les interactions plasma-paroi, l’accumulation d’impuretés et les pertes d’énergie ont été significativement réduites, et le plasma est finalement poussé vers une densité suffisamment élevée à la fin du démarrage. Les chercheurs ont réussi à accéder au régime théorique sans densité PWSO, dans lequel le plasma peut rester stable même lorsqu’il fonctionne à des densités qui dépassent largement les limites empiriques.  

Ces réalisations expérimentales fournissent de nouvelles perspectives physiques pour percer la limite de densité de longue date dans l’opération des tokamaks dans la poursuite de l’allumage de la fusion.

« Les résultats suggèrent une voie pratique et évolutive pour étendre les limites de densité dans les tokamaks et les dispositifs de fusion à plasma brûlant de nouvelle génération », a déclaré le professeur ZHU.

Le professeur associé YAN a ajouté que l’équipe de recherche prévoit d’appliquer la nouvelle méthode pendant l’opération à haut confinement sur EAST dans un futur proche dans une tentative d’accéder au régime sans densité dans des conditions de plasma à haute performance.

Article : Accessing the density-free regime with ECRH-assisted ohmic start-up on EAST – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Hefei Institutes of Physical Science