Dans une étude expérimentale complète, une équipe internationale de chercheurs a confirmé les calculs d'un code de simulation de turbulence de premier plan à un degré sans précédent. Cela marque une percée majeure dans la compréhension des processus de transport turbulent dans les dispositifs de fusion nucléaire.
L'étude a maintenant été publiée dans la revue Communications de la nature et jette une base cruciale pour prédire les performances des centrales de fusion.
Les futures centrales de fusion visent à générer une énergie utilisable efficacement en fusionnant les noyaux atomiques légers. L'approche la plus avancée – la fusion de confinement magnétique – configure un plasma, un gaz chauffé à des millions de degrés Celsius, dans un champ magnétique. Ce plasma est suspendu sans contact mur à l'intérieur d'une chambre à vide en forme de beignet.
L'énergie libérée de la réaction de fusion nucléaire est destinée non seulement à la production d'électricité mais aussi à maintenir la température du plasma. Pour soutenir le processus, le plasma doit conserver autant d'énergie que possible – ce que les chercheurs se réfèrent à un temps de confinement à haute énergie.
Une forte turbulence affecte négativement les propriétés du plasma
Pour atteindre cet objectif, les physiciens doivent d'abord comprendre les processus turbulents extrêmement complexes dans les plasmas et, idéalement, trouver des moyens de les réguler. Dans une certaine mesure, la turbulence est en fait bénéfique, car elle aide à transporter les noyaux d'hélium – par des produits de la réaction de fusion – sur le plasma tout en apportant du carburant frais dans le noyau. Cependant, une turbulence excessive réduit le temps de confinement de l'énergie car l'énergie s'échappe trop rapidement du centre de plasma.
« Vous pouvez comparer cela à une goutte de lait dans une tasse de café: si vous remuez avec une cuillère, une forme de tourbillons turbulents et que les liquides se mélangent beaucoup plus rapidement que sans remuer », explique le physicien Dr Klara Höfler, qui a étudié ce phénomène près de Munich.
Avec des collègues de l'IPP et de cinq autres institutions de recherche en Europe et aux États-Unis, elle a fait une percée importante dans la compréhension de la turbulence dans les plasmas de fusion. Pour la première fois, l'équipe a conclu un accord complet entre les résultats expérimentaux et les simulations informatiques. Les chercheurs ont simultanément comparé sept paramètres clés de turbulence de plasma, plus significativement que dans les études précédentes.
Pour la nouvelle étude, Höfler a utilisé l'équipement de diagnostic unique au monde lors de la mise à niveau Asdex du dispositif IPP Fusion. Cela lui a permis de mesurer avec précision les propriétés du plasma de plusieurs millions de degrés pendant deux décharges avec des paramètres différents.
Les micro-ondes fournissent une image détaillée du plasma
Si vous souhaitez déterminer la température d'un lac, vous placez simplement un thermomètre dans l'eau. Dans la recherche de fusion, la température du plasma est généralement mesurée à l'aide de micro-ondes émises par le plasma lui-même. À partir de ces émissions, les fluctuations de la température électronique peuvent également être dérivées.
De plus, en lançant des micro-ondes dans le plasma, les chercheurs peuvent analyser le rayonnement rétrodiffusé pour extraire des informations sur les fluctuations de la densité électronique – c'est-à-dire le nombre d'électrons par unité de volume. En utilisant cette approche, Höfler et son équipe ont pu caractériser les fluctuations de la température du plasma et de la densité du plasma.
Deux méthodes de diagnostic ont joué un rôle central:
- Réflectomètres Doppler pour mesurer les fluctuations de la densité du plasma. En utilisant trois réflectomètres de la suite de diagnostic d'Asdex Upgrade, l'équipe a analysé les tourbillons de différentes tailles à différents endroits.
- Un radiomètre de corrélation-électron-cyclotron-émission (CECE) du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis pour des mesures très précises des fluctuations de la température électronique.
Les simulations de plasma comparatives dans un espace de phase à cinq dimensions ont été réalisées en utilisant le code du gène, développé à IPP et globalement reconnue comme un outil leader pour modéliser numériquement les processus turbulents à l'intérieur des plasmas. La complexité de ces phénomènes est si immense que les superordinateurs utilisés pour cette étude ont nécessité un total de deux mois de temps de calcul pour modéliser la turbulence observée sur quelques millisecondes.
Une collaboration étroite entre les physiciens expérimentaux et théoriques était importante ici. Il ne suffit pas que les calculs des gènes reproduisent correctement la turbulence. Ils doivent également simuler le processus de mesure élaboré, que les chercheurs ont maintenant réalisé après des années de travail. Ce n'est que de cette manière que la comparabilité entre l'expérience et le calcul numérique peut être établie.
Gene reproduit également des résultats expérimentaux inattendus
« Lorsque j'ai reçu les résultats de la simulation, j'ai été vraiment surpris par la façon dont ils correspondaient bien à toutes les données expérimentales », se souvient Höfler. Même les phénomènes qui n'étaient pas intuitivement attendus étaient prédits avec précision par Gene.
Un exemple: l'équipe de recherche a établi différents profils de température pour les deux rejets de plasma étudiés lors de la mise à niveau Asdex. Dans la décharge 1, des gradients de température plus abruptes ont été appliqués par rapport à la décharge 2. Comme prévu, la décharge 1 présentait des fluctuations de température plus importantes que la décharge 2. Cependant, complètement de façon inattendue, les fluctuations de densité se sont comportées de manière opposée – un résultat qui semblait initialement inexplicable. Pourtant, les simulations de gènes ont reproduit ce comportement précisément.
« Nous avons prouvé que le gène prédit de manière fiable le comportement réel des deux décharges de plasma », résume Höfler. Pour la recherche de fusion, cela signifie que les simulations peuvent être utilisées pour optimiser les scénarios de plasma pour réaliser le temps de confinement énergétique le plus élevé possible. Le concept de jumeau numérique d'un dispositif de fusion est désormais plus tangible, permettant des prédictions améliorées des performances du plasma des réacteurs.
