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Jalon majeur en matière de fusion : des scientifiques de Princeton découvrent une révolution dans la conception des réacteurs

SciTechDaily

Cette image fixe issue d'une nouvelle simulation montre comment le plasma de la région du piédestal est connecté à travers la soi-disant dernière surface de confinement dans la région du plasma diverteur. Les lobes longs et fins fluctuent dans le temps et dans l’espace. Crédit de simulation : Seung-Hoe Ku / Laboratoire de physique des plasmas de Princeton sur l'ordinateur Summit du DOE au Laboratoire national d'Oak Ridge ; Crédit de visualisation : Dave Pugmire et Jong Youl Choi / Oak Ridge National Laboratory

La chaleur dégagée par les réacteurs à fusion à l’échelle commerciale pourrait être moins dommageable qu’on ne le pensait auparavant.

De nouvelles recherches indiquent que plasma la chaleur de fusion se propage plus uniformément dans les réacteurs tokamak, ce qui suggère un risque réduit de dommages aux composants critiques, améliorant ainsi la longévité et l'efficacité du réacteur.

Selon des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du ministère américain de l'Énergie (DOE), du laboratoire national d'Oak Ridge et de l'organisation ITER (ITER), la chaleur intense des gaz d'échappement produite par la fusion du plasma dans un réacteur à l'échelle commerciale pourrait ne pas être aussi dommageable à l'intérieur du réacteur qu'on le pensait auparavant.

« Cette découverte change fondamentalement notre façon de penser la façon dont la chaleur et les particules se déplacent entre deux régions d'importance critique au bord d'un plasma pendant la fusion », a déclaré PPPL Choongseok Chang, physicien de recherche principal, qui a dirigé l'équipe de chercheurs à l'origine de la découverte. Un nouvel article détaillant leurs travaux a été récemment publié dans la revue La fusion nucléairefaisant suite à de précédentes publications sur le sujet.

Pour réaliser la fusion, les températures à l’intérieur d’un tokamak – le dispositif en forme de beignet qui contient le plasma – doivent dépasser 150 millions de degrés. Celsius. C'est 10 fois plus chaud que le centre du soleil. Contenir quelque chose d'aussi chaud est un défi, même si le plasma est en grande partie éloigné des surfaces internes grâce à des champs magnétiques. Ces champs maintiennent la majeure partie du plasma confinée dans une région centrale appelée noyau, formant un anneau en forme de beignet. Certaines particules et chaleur s'échappent cependant du plasma confiné et frappent le matériau faisant face au plasma. De nouvelles découvertes réalisées par les chercheurs du PPPL suggèrent que les particules s'échappant du plasma central à l'intérieur d'un tokamak entrent en collision avec une zone du tokamak plus grande qu'on ne le pensait, réduisant considérablement le risque de dommages.

Des recherches antérieures basées sur la physique et les données expérimentales des tokamaks actuels suggèrent que la chaleur d'échappement se concentrerait sur une bande très étroite le long d'une partie de la paroi du tokamak connue sous le nom de plaques de dérivation. Dédié à l'élimination de la chaleur d'échappement et des particules du plasma en combustion, le diverteur est essentiel aux performances d'un tokamak.

Réacteur ITER avec inverseur mis en évidence

Le tokamak expérimental ITER sera doté d'un divertor disposé en anneau autour du fond de la chambre du tokamak. Dans l'image ci-dessus, le divertor est surligné en jaune. Crédit : Organisation ITER

« Si toute cette chaleur atteint cette zone étroite, alors cette partie de la plaque de dérivation sera endommagée très rapidement », a déclaré Chang, qui travaille au département de théorie du PPPL. « Cela pourrait signifier de fréquentes périodes d’arrêt. Même si vous remplacez simplement cette partie de la machine, cela ne sera pas rapide.

Le problème n'a pas arrêté le fonctionnement des tokamaks existants, qui ne sont pas aussi puissants que ceux qui seront nécessaires à un réacteur à fusion à l'échelle commerciale. Cependant, au cours des dernières décennies, de nombreuses inquiétudes ont été exprimées quant au fait qu'un dispositif à l'échelle commerciale pourrait créer des plasmas si denses et si chauds que les plaques divertrices pourraient être endommagées. Un plan proposé impliquait l'ajout d'impuretés au bord du plasma pour rayonner l'énergie du plasma qui s'échappait, réduisant ainsi l'intensité de la chaleur frappant le matériau du diverteur, mais Chang a déclaré que ce plan restait un défi.

Simuler la voie d'évacuation

Chang a décidé d'étudier comment les particules s'échappaient et où elles atterriraient sur un appareil tel qu'ITER, l'installation multinationale de fusion en cours d'assemblage en France. Pour ce faire, son groupe a créé une simulation de plasma à l’aide d’un code informatique connu sous le nom de X-Point Included Gyrocinétique Code (XGC). Ce code est l'un des nombreux codes développés et maintenus par PPPL qui sont utilisés pour la recherche sur le plasma de fusion.

La simulation a montré comment les particules de plasma se déplaçaient à travers la surface du champ magnétique, qui était censée être la limite séparant le plasma confiné du plasma non confiné, y compris le plasma dans la région du diverteur. Cette surface de champ magnétique – générée par des aimants externes – est appelée surface de dernier confinement. Il y a une vingtaine d'années, Chang et ses collègues ont découvert que des particules chargées, appelées ions, traversaient cette barrière et heurtaient les plaques divertrices. Ils ont découvert plus tard que ces ions qui s'échappaient provoquaient la concentration de la charge thermique sur une zone très étroite des plaques de déviation.

Il y a quelques années, Chang et ses collègues ont découvert que la turbulence du plasma pouvait permettre à des particules chargées négativement, appelées électrons, de traverser la dernière surface de confinement et d'élargir de 10 fois la charge thermique sur les plaques divertrices d'ITER. Cependant, la simulation supposait toujours que la dernière surface de confinement n'était pas perturbée par la turbulence du plasma.

« Dans le nouvel article, nous montrons que la dernière surface de confinement est fortement perturbée par la turbulence du plasma pendant la fusion, même en l'absence de perturbations causées par des bobines externes ou des instabilités brusques du plasma », a déclaré Chang. « Une bonne dernière surface de confinement n'existe pas en raison de perturbations folles et turbulentes de la surface magnétique appelées enchevêtrements homocliniques. »

En fait, Chang a déclaré que la simulation montrait que les électrons connectaient le bord du plasma principal aux plasmas diverteurs. Le trajet des électrons, à mesure qu'ils suivent le trajet de ces enchevêtrements homocliniques, élargit la zone de frappe thermique de 30 % de plus que l'estimation précédente de la largeur basée uniquement sur la turbulence. « Cela signifie qu’il est encore moins probable que la surface du diverteur soit endommagée par la chaleur d’échappement lorsqu’elle est combinée au refroidissement radiatif des électrons par injection d’impuretés dans le plasma du diverteur. La recherche montre également que les enchevêtrements homocliniques turbulents peuvent réduire le risque d’instabilités brusques au bord du plasma, car ils affaiblissent leur force motrice.

« Il ne faut pas faire confiance à la dernière surface de confinement d'un tokamak », a déclaré Chang. « Mais ironiquement, cela pourrait améliorer les performances de fusion en réduisant les risques d'endommagement de la surface du divertor en fonctionnement stable et en éliminant l'explosion transitoire d'énergie du plasma vers la surface du divertor due aux instabilités abruptes du plasma, qui sont deux des problèmes les plus limitants en termes de performances. dans les futurs réacteurs tokamak commerciaux.

Cette recherche a reçu un financement du Département des sciences de l'énergie de fusion et de la recherche informatique scientifique avancée du DOE au Centre de partenariat SciDAC pour la simulation de plasma aux limites haute fidélité dans le cadre du contrat DE-AC02-09CH11466.

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