Une équipe de scientifiques texans résout un problème majeur pour l’énergie de fusion

Une énergie abondante, peu coûteuse et propre – le résultat escompté si les scientifiques et les ingénieurs parviennent à produire une méthode fiable pour générer et maintenir l’énergie de fusion – s’est rapprochée de la réalité, une équipe de chercheurs de l’Université du Texas à Austin, du Laboratoire national de Los Alamos et du Type One Energy Group ayant résolu un problème de longue date dans ce domaine.

L’un des grands défis qui freinent l’énergie de fusion est la capacité à contenir les particules à haute énergie à l’intérieur des réacteurs de fusion. Lorsque des particules alpha de haute énergie s’échappent d’un réacteur, cela empêche le plasma de devenir suffisamment chaud et dense pour entretenir la réaction de fusion. Pour empêcher ces fuites, les ingénieurs conçoivent des systèmes de confinement magnétique élaborés, mais il y a souvent des trous dans le champ magnétique, et il faut énormément de temps de calcul pour prédire leur emplacement et les éliminer.

Dans leur article publié dans Physical Review Letters, l’équipe de recherche explique avoir découvert un raccourci qui peut aider les ingénieurs à concevoir des systèmes de confinement magnétique étanches dix fois plus rapidement que la méthode de référence, sans sacrifier l’exactitude. Bien que plusieurs autres grands défis restent à relever pour toutes les conceptions de fusion magnétique, cette avancée s’attaque au plus grand défi spécifique à un type de réacteur de fusion proposé pour la première fois dans les années 1950, appelé stellarateur.

« Ce qui est le plus excitant, c’est que nous résolvons quelque chose qui est un problème ouvert depuis près de 70 ans« , a déclaré Josh Burby, professeur adjoint de physique à l’UT et premier auteur de l’article. « Il s’agit d’un changement de paradigme dans la manière dont nous concevons ces réacteurs.« 

Un stellarateur utilise des bobines externes transportant des courants électriques qui génèrent des champs magnétiques pour confiner un plasma et des particules de haute énergie. Ce système de confinement est souvent décrit comme une « bouteille magnétique« .

Il existe un moyen d’identifier l’emplacement des trous dans la bouteille magnétique en utilisant les lois du mouvement de Newton, ce qui est très précis mais nécessite un temps de calcul énorme. Pire encore, pour concevoir un stellarateur, les scientifiques pourraient avoir à simuler des centaines ou des milliers de modèles légèrement différents, en modifiant la disposition des bobines magnétiques et en itérant pour éliminer les trous – un processus qui nécessiterait une quantité prohibitive de calculs en plus.

Par conséquent, pour gagner du temps et de l’argent, les scientifiques et les ingénieurs utilisent couramment une méthode plus simple pour déterminer approximativement où se trouvent les trous, à l’aide d’une approche appelée théorie de la perturbation. Mais cette méthode est beaucoup moins précise, ce qui a ralenti le développement des stellarateurs. La nouvelle méthode repose sur la théorie de la symétrie, une manière différente de comprendre le système.

« Il n’existe actuellement aucun moyen pratique de trouver une réponse théorique à la question du confinement des particules alpha sans nos résultats« , a déclaré Burby. « L’application directe des lois de Newton est trop coûteuse. Les méthodes de perturbation commettent des erreurs grossières. Notre théorie est la première à contourner ces écueils« .

Cette nouvelle méthode peut également aider à résoudre un problème similaire mais différent dans une autre conception populaire de réacteur à fusion magnétique appelée tokamak. Dans cette conception, il y a un problème d’emballement des électrons – des électrons à haute énergie qui peuvent percer un trou dans les parois environnantes. Cette nouvelle méthode peut aider à identifier les trous dans le champ magnétique où ces électrons peuvent s’échapper.

Légende illustration : Mouvements prédits de centaines de particules dans un réacteur de fusion. Les mouvements prédits par la nouvelle méthode (orange, rouge) sont très proches de ceux prédits par les lois de Newton (bleu, vert), mais peuvent être calculés 10 fois plus rapidement. Crédit photo : Université du Texas à Austin.

Article : « Nonperturbative Guiding Center Model for Magnetized Plasmas » – DOI : 10.1103/PhysRevLett.134.175101

Les co-auteurs de Burby à l’UT sont le chercheur postdoctoral Max Ruth et l’étudiant diplômé Ivan Maldonado. Les autres auteurs sont Dan Messenger, chercheur postdoctoral à Los Alamos, et Leopoldo Carbajal, informaticien et spécialiste des données chez Type One Energy Group, une entreprise qui prévoit de construire des stellarateurs pour la production d’énergie.