Un nouveau mode de fonctionnement du plasma à haute température

L’équipe de recherche de l’Institut coréen de l’énergie de fusion (KFE) et de l’Université nationale de Séoul (SNU) a annoncé qu’elle avait découvert un nouveau mode de fonctionnement du plasma susceptible d’améliorer les performances du plasma pour l’énergie de fusion, sur la base d’une analyse du fonctionnement du plasma à des températures ultra élevées, supérieures à 100 millions de degrés (Celsius), au sein du Tokamak supraconducteur de recherche avancée de Corée (KSTAR).

Pour produire de l’énergie par le biais d’une réaction de fusion comme celle qui se produit dans le soleil, il est essentiel de confiner un plasma très chaud et dense dans un réacteur de fusion de manière stable et pendant longtemps. Afin de garantir une telle technologie, les chercheurs en énergie de fusion du monde entier se sont efforcés de trouver le mode de fonctionnement du plasma le plus efficace par le biais d’études théoriques et expérimentales.

L’un des modes de fonctionnement les plus connus est le mode H (mode de confinement élevé). Il a été considéré comme le principal mode de fonctionnement du plasma pour les réacteurs à fusion, servant ainsi de référence pour le développement des modes de fonctionnement de la prochaine génération.

Cependant, le principal inconvénient de ce mode H est l’apparition d’une instabilité du plasma, le mode dit « edge-localized » (ELM), dans lequel la pression au bord du plasma dépasse le seuil, faisant éclater le plasma comme un ballon. Comme cela peut endommager les parois internes d’un réacteur, les chercheurs ont exploré différentes manières de contrôler l’ELM, tout en essayant de développer un mode de fonctionnement du plasma plus stable.

En analysant les données expérimentales des opérations KSTAR et en les analysant par le biais de simulations, les chercheurs du KFE et du SNU ont découvert que les ions rapides, ou les particules à haute énergie générées par le chauffage externe, stabilisent les turbulences à l’intérieur du plasma, ce qui entraîne une augmentation spectaculaire de la température du plasma. Ce nouveau régime de plasma a été baptisé « mode FIRE (Fast Ion Regulated Enhancement)« .

Étant donné que le mode FIRE peut améliorer les performances du plasma par rapport au mode H tout en ne générant pas d’ELM et en permettant un contrôle opérationnel plus facile, il devrait ouvrir de nouvelles possibilités dans le développement de la technologie d’exploitation du plasma pour les réacteurs de fusion commerciaux à l’avenir, ainsi que contribuer à l’exploitation du réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER). Nature a publié ces nouveaux résultats le 8 septembre.

« Le mode FIRE est né d’un travail de créativité, alors que l’on analysait les raisons pour lesquelles on ne parvenait pas à obtenir les résultats escomptés lors d’expériences. Un échec a guidé une nouvelle découverte. Cela montre la recherche assez nouvelle et unique de KSTAR pour le développement de l’énergie de fusion en Corée« , a déclaré le professeur Yong-soo Na, auteur correspondant de l’étude. « Cette découverte a été rendue possible grâce à l’étroite coopération entre la KFE et les universités coréennes et étrangères, ainsi qu’au KSTAR, qui a été construit au niveau le plus fin avec un champ d’effort magnétique très faible« , a-t-il ajouté.

« Il y a trois éléments à prendre en compte pour obtenir des réactions de fusion : la densité, la température et le temps de confinement. Parmi ces trois éléments, nous avons adopté une nouvelle approche pour nous concentrer sur la température. Pour être plus précis, en concentrant les capacités de chauffage du KSTAR au cœur du plasma à faible densité, nous avons pu développer le mode FIRE« , a déclaré le Dr Hyunsun Han, premier auteur de l’article. « Nous prévoyons d’améliorer les performances du plasma KSTAR et sa durée de fonctionnement à plus de 100 millions de degrés Celsius en étudiant plus avant le mode FIRE et les ions rapides« , a-t-il expliqué.

Légende / Configuration du plasma d’un mode FIRE dans le tokamak supraconducteur coréen de recherche avancée (KSTAR). La couleur des lignes indique la température des ions en keV, où 10 keV correspond à ~120 millions de Kelvin.

Légende Illustration / Configuration du plasma d’un mode FIRE dans le tokamak supraconducteur coréen de recherche avancée (KSTAR). La couleur des lignes indique la température des ions en keV, où 10 keV correspond à ~120 millions de Kelvin.

Crédit Image / Institut coréen de l’énergie de fusion (KFE)

JOURNAL / Nature

DOI / 10.1038/s41586-022-05008-1

ARTICLE TITLE / « A sustained high-temperature fusion plasma regime facilitated by fast ions »