Les innovations apportées à l’installation nationale de fusion DIII-D ont montré que les perturbations magnétiques peuvent améliorer le confinement du plasma dans les tokamaks, augmentant ainsi l’efficacité de la fusion. Cette percée offre une nouvelle approche de la gestion des instabilités du plasma telles que les ELM, cruciales pour le développement de centrales électriques à fusion efficaces et sûres. Crédit : Issues.fr.com
La perturbation du champ magnétique périphérique d’un tokamak produit une réponse contre-intuitive : des particules pénètrent dans la région confinée plutôt que d’en sortir.
Un tokamak utilise des champs magnétiques pour confiner le plasma et atteindre les températures élevées nécessaires pour produire des réactions de fusion nucléaire. Dans certains plasmas tokamak, le confinement dans une partie particulière du plasma appelé piédestal (le bord du plasma) peut permettre la formation de grands gradients de pression. Ces gradients de pression (changements de pression sur une distance) conduisent à des instabilités du plasma.
Un type d’instabilité résultant de gradients de pression extrêmes est le mode localisé en bord (ELM). Un ELM implique une explosion de particules et d’énergie qui quittent le plasma et frappent la paroi du tokamak. Les chercheurs en fusion peuvent prévenir les ELM grâce à des altérations contrôlées du champ magnétique. Cependant, cette approche entraîne également une réduction de la pression du plasma, fonction de la température et de la densité des particules, limitant ainsi le rendement de la fusion.
Expériences récentes à l’installation nationale de fusion DIII-D
Lors d’expériences récentes menées à l’installation nationale de fusion DIII-D, les chercheurs ont identifié un nouveau régime dans lequel des perturbations magnétiques appliquées entraînaient une amélioration du confinement du piédestal. Contrairement aux attentes, cela a conduit à une densité accrue compatible avec des performances de fusion améliorées. Les chercheurs pensent que l’amélioration du confinement est due aux perturbations magnétiques appliquées réduisant les turbulences de densité dans le piédestal, provoquant le déplacement des particules du plasma vers l’intérieur.
L’évolution dans le temps des fluctuations de la densité électronique et de la densité électronique en tant que perturbation magnétique est appliquée. Après 0,5 seconde de perturbation appliquée, les fluctuations diminuent et la densité augmente. Crédit : NC Logan, et al., Confinement amélioré des particules avec perturbations magnétiques résonantes dans les plasmas en mode H du tokamak DIII-D. Lettres d’examen physique 129, 205001 (2022).
Implications pour les futures usines de fusion
Ces expériences et la modélisation associée démontrent que des perturbations magnétiques peuvent être appliquées à un plasma tokamak sans réduire les performances de fusion. Ceci est important pour une future usine pilote de fusion. Les chercheurs s’attendent à ce que ces centrales fonctionnent à des niveaux de puissance où le flux de puissance dépensé par les gros ELM peut endommager l’appareil. Cela rendra les perturbations magnétiques appliquées importantes pour ces appareils.
Les expériences récentes suggèrent que les ELM peuvent être atténués sans abandonner les performances de fusion si le plasma tourne dans une direction opposée à son courant. En s’appuyant sur ces travaux, la conception d’une usine pilote de fusion bénéficiera de nouvelles connaissances sur le confinement du piédestal et du développement de moyens d’utilisation extrêmement efficaces d’un système de perturbation magnétique.
Gestion des instabilités et amélioration des performances
Dans des conditions de fort confinement, le socle d’un tokamak peut produire des instabilités qui expulsent des particules dans la paroi de l’appareil. Les chercheurs utilisent des perturbations magnétiques appliquées pour perturber le piédestal de telle sorte que ces instabilités (ELM) soient soit réduites en ampleur, soit entièrement éliminées, bien que ces perturbations perturbent le champ magnétique du tokamak de telle manière que certaines particules échappent au confinement.
Lorsqu’un ELM se produit, la pression du piédestal diminue, mais seulement jusqu’à ce que le niveau élevé de confinement dans le plasma permette à la pression de remonter, conduisant finalement à un autre événement ELM. Cependant, perturber le piédestal et réduire le confinement affectent négativement la densité du plasma et les performances de fusion. Ainsi, la clé a été de permettre juste assez de perte de particules pour maintenir la pression du socle en dessous du niveau résultant d’un ELM.
Lors d’expériences menées à l’installation nationale de fusion DIII-D, les chercheurs ont fourni la première démonstration de l’application de perturbations magnétiques et de l’augmentation de la densité de plasma à travers le piédestal. Dans ce nouveau régime, les perturbations magnétiques ont entraîné une amélioration du confinement du piédestal. Le flux total de particules sur la paroi du tokamak provoqué par les ELM est resté inchangé pendant les perturbations appliquées, tandis que l’augmentation de la densité du plasma correspondait à une amélioration des performances de fusion.
Les chercheurs attribuent le confinement amélioré aux perturbations magnétiques appliquées réduisant la turbulence de densité dans le piédestal et provoquant un flux de particules vers l’intérieur. À mesure que ces dynamiques seront mieux comprises, cela pourrait aider les chercheurs à concevoir un scénario de tokamak perturbé qui atténue les ELM tout en augmentant simultanément les performances de fusion.
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département de l’énergie (DOE), Bureau des sciences de l’énergie de fusion, en utilisant l’installation nationale de fusion DIII-D, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE.
