Inspirés par le Kintsugi, les scientifiques du PPPL ont développé une méthode pour gérer le plasma dans les réacteurs à fusion en utilisant les imperfections du champ magnétique, améliorant ainsi la stabilité et ouvrant la voie à une puissance de fusion plus fiable et plus efficace. Crédit : Issues.fr.com
Les scientifiques profitent des imperfections des champs magnétiques pour améliorer la fusion plasma.
Dans l'art japonais du Kintsugi, un artiste prend les éclats brisés d'un bol et les fusionne avec de l'or pour créer un produit final plus beau que l'original.
Cette idée inspire une nouvelle approche de la gestion du plasma, l’état extrêmement chaud de la matière, pour l’utiliser comme source d’énergie. Les scientifiques utilisent les imperfections des champs magnétiques qui confinent une réaction pour améliorer et renforcer le plasma dans une approche décrite dans un nouvel article de la revue Communications naturelles.
«Cette approche permet de maintenir un plasma haute performance, en contrôlant simultanément les instabilités du cœur et des bords du plasma. Ce contrôle simultané est particulièrement important et difficile à réaliser. C'est ce qui rend ce travail spécial », a déclaré Joseph Snipes du laboratoire de physique des plasmas de Princeton du département américain de l'Énergie (DOE).PPPL). Il est le chef adjoint du département des sciences expérimentales du Tokamak au PPPL et est co-auteur de l'article.
Le physicien Seong-Moo Yang du PPPL a dirigé l'équipe de recherche, qui couvre diverses institutions aux États-Unis et en Corée du Sud. Yang dit que c'est la première fois qu'une équipe de recherche valide une approche systématique pour adapter les imperfections du champ magnétique afin de rendre le plasma adapté à une utilisation comme source d'énergie. Ces imperfections du champ magnétique sont appelées champs d’erreur.
« Notre nouvelle méthode identifie les corrections optimales du champ d'erreur, améliorant ainsi la stabilité du plasma », a déclaré Yang. « Il a été prouvé que cette méthode améliore la stabilité du plasma dans différentes conditions de plasma, par exemple lorsque le plasma est dans des conditions de confinement magnétique élevé et faible. »
https://youtu.be/sfZlCK_5dsQ?t=5397
Yang présente ses recherches au National Research SLAM du DOE.
Des erreurs difficiles à corriger
Les champs d’erreur sont généralement provoqués par de minuscules défauts dans les bobines magnétiques du dispositif qui contient le plasma, appelé tokamak. Jusqu'à présent, les champs d'erreur n'étaient considérés que comme une nuisance, car même un très petit champ d'erreur pouvait provoquer une perturbation du plasma qui interrompait les réactions de fusion et pouvait endommager les parois d'un récipient de fusion. Par conséquent, les chercheurs en fusion ont consacré beaucoup de temps et d’efforts à trouver méticuleusement des moyens de corriger les champs d’erreur.
« Il est assez difficile d'éliminer les champs d'erreur existants, donc au lieu de corriger ces irrégularités de bobine, nous pouvons appliquer des champs magnétiques supplémentaires autour du récipient de fusion dans un processus connu sous le nom de correction de champ d'erreur », a déclaré Yang.
Dans le passé, cette approche aurait également endommagé le cœur du plasma, le rendant impropre à la production d'énergie par fusion. Cette fois, les chercheurs ont pu éliminer les instabilités en bordure du plasma et maintenir la stabilité du noyau. Cette recherche est un excellent exemple de la manière dont les chercheurs du PPPL comblent le fossé entre la technologie de fusion actuelle et ce qui sera nécessaire pour alimenter le réseau électrique en énergie de fusion.
« C’est en fait un moyen très efficace de briser la symétrie du système, afin que les humains puissent intentionnellement dégrader le confinement. C'est comme faire un tout petit trou dans un ballon pour qu'il n'explose pas », a déclaré SangKyeun Kim, chercheur scientifique au PPPL et co-auteur de l'article. Tout comme l’air s’échapperait d’un petit trou dans un ballon, une infime quantité de plasma s’échappe du champ d’erreur, ce qui contribue à maintenir sa stabilité globale.
Gérer simultanément le cœur et la bordure du plasma
L’une des parties les plus difficiles de la gestion d’une réaction de fusion consiste à faire en sorte que le cœur et le bord du plasma se comportent en même temps. Il existe des zones idéales pour la température et la densité du plasma dans les deux régions, et atteindre ces cibles tout en éliminant les instabilités est difficile.
Cette étude démontre que l'ajustement des champs d'erreur peut simultanément stabiliser à la fois le cœur et le bord du plasma. En contrôlant soigneusement les champs magnétiques produits par les bobines du tokamak, les chercheurs ont pu supprimer les instabilités de bord, également appelées modes localisés de bord (ELM), sans provoquer de perturbations ni de perte substantielle de confinement.
« Nous essayons de protéger l'appareil », a déclaré Qiming Hu, physicien de recherche au PPPL, auteur de l'article.
Étendre la recherche au-delà de KSTAR
Les recherches ont été menées à l'aide du tokamak KSTAR en Corée du Sud, qui se distingue par sa capacité à ajuster la configuration de son champ d'erreur magnétique avec une grande flexibilité. Cette capacité est cruciale pour expérimenter différentes configurations de champs d’erreur afin de trouver les plus efficaces pour stabiliser le plasma.
Les chercheurs affirment que leur approche a des implications significatives pour la conception des futures usines pilotes de fusion de tokamak, les rendant potentiellement plus efficaces et plus fiables. Ils travaillent actuellement sur une version d’intelligence artificielle (IA) de leur système de contrôle pour le rendre plus efficace.
« Ces modèles sont assez complexes ; ils prennent un peu de temps à calculer. Mais lorsque vous voulez faire quelque chose dans un système de contrôle en temps réel, vous ne pouvez vous permettre que quelques millisecondes pour effectuer un calcul », a déclaré Snipes. « En utilisant l'IA, vous pouvez essentiellement apprendre au système à quoi s'attendre et être capable d'utiliser cette intelligence artificielle pour prédire à l'avance ce qui sera nécessaire pour contrôler le plasma et comment le mettre en œuvre en temps réel. »
Alors que leur nouvel article met en évidence le travail effectué à l'aide des bobines magnétiques internes de KSTAR, Hu suggère que de futures recherches avec des bobines magnétiques à l'extérieur du récipient de fusion seraient utiles, car la communauté de la fusion s'éloigne de l'idée de loger de telles bobines à l'intérieur du récipient scellé sous vide en raison de la destruction potentielle de ces composants à cause de la chaleur extrême du plasma.
Des chercheurs de l'Institut coréen de l'énergie de fusion (KFE), Université de Colombieet l'Université nationale de Séoul faisaient également partie intégrante du projet.
La recherche a été soutenue par : le Département américain de l'énergie sous le numéro de contrat DE-AC02-09CH11466 ; le ministère des Sciences et des TIC dans le cadre du programme de R&D KFE « KSTAR Experimental Collaboration and Fusion Plasma Research (KFE-EN2401-15) » ; la subvention n° RS-2023-00281272 de la National Research Foundation (NRF), financée par le ministère coréen des Sciences, des Technologies de l'information et de la communication et le New Faculté Startup Fund de l'Université nationale de Séoul ; le NRF au titre des subventions n° 2019R1F1A1057545 et n° 2022R1F1A1073863 ; le programme national de R&D à travers le NRF financé par le ministère des Sciences et des TIC (NRF-2019R1A2C1010757).
