Partout dans le monde, la recherche progresse pour confiner efficacement le plasma de fusion et exploiter son immense énergie pour la production d’électricité. Cependant, il est connu que les turbulences se produisant à différentes échelles au sein du plasma provoquent la libération d’énergie du plasma et de ses particules constitutives, dégradant les performances de confinement.
Élucider ce phénomène physique et supprimer la dégradation des performances est d’une importance cruciale. En particulier dans les expériences sur les plasmas à haute température actuellement menées dans le monde entier, des tourbillons turbulents à micro-échelle (quelques centimètres seulement) se formant à divers endroits du plasma ont un impact significatif sur cette dégradation des performances de confinement.
Même si l’on savait que la suppression de ces turbulences à micro-échelle pouvait améliorer les performances dans une certaine mesure, la raison pour laquelle de nouvelles améliorations ne pouvaient pas être obtenues restait floue. En outre, des études de simulation théorique prédisent que dans les futurs réacteurs à fusion, des turbulences inférieures à l’échelle microscopique interagiront et exerceront une influence.
Même si une vérification expérimentale était prévue, elle n’a pas été réalisée en raison de la technologie de mesure extrêmement précise requise.
Pour étudier les caractéristiques de deux échelles différentes de turbulence, un groupe de recherche dirigé par le professeur Tokihiko Tokuzawa et le professeur Katsumi Ida de l'Institut national des sciences de la fusion, l'étudiant diplômé Tatsuhiro Nasu de l'Université supérieure d'études avancées et le professeur Shigeru Inagaki de l'Université de Kyoto ont préparé des instruments de mesure précis adaptés à la taille de chaque tourbillon turbulent.
L'ouvrage est publié dans la revue Physique des communications.
L’équipe a observé simultanément le même emplacement dans le plasma du grand dispositif hélicoïdal (LHD) pour examiner comment la force de chaque turbulence variait.
Pour les tourbillons turbulents à plus petite échelle en particulier, ils ont permis une observation simultanée depuis deux directions pour capturer les changements dans les variations de déformation des tourbillons. En mesurant leur degré de déformation, ils ont pu déterminer l’état du champ électrique affecté, facteur clé définissant le flux de force de fond à cet endroit.
En conséquence, l’équipe a découvert que lorsque la force de la turbulence à plus grande échelle diminuait soudainement, celle de la turbulence à plus petite échelle augmentait à l’inverse.
De plus, ils ont constaté que ces tourbillons turbulents à plus petite échelle présentaient une déformation réduite. Ce résultat expérimental peut être expliqué par un modèle théorique suggérant que les tourbillons turbulents à plus petite échelle peuvent être étirés par le champ électrique généré par ceux à plus grande échelle. En d’autres termes, on pense que les tourbillons turbulents de plus petite échelle, fortement étirés et supprimés par les plus grands, ont commencé à se développer une fois que ces derniers se sont affaiblis.
Il a ensuite été émis l’hypothèse que la croissance de cette turbulence à plus petite échelle pourrait être le facteur provoquant l’arrêt de l’amélioration du confinement « dans une certaine mesure », malgré la réduction de la turbulence à micro-échelle auparavant mystérieuse.
Le futur plasma brûlant dont la réalisation est prévue dans le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER) reposera principalement sur des mécanismes de chauffage du plasma pilotés par des particules alpha générées par des réactions de fusion.
On pense que les tourbillons turbulents à plus petite échelle mesurés dans cette étude sont plus fortement excités que ceux actuellement observés, exerçant une plus grande influence sur le transport et le confinement du plasma. Par conséquent, la vérification expérimentale de ces tourbillons turbulents à plus petite échelle est actuellement activement menée dans le monde entier.
Reconnaissant très tôt ce défi, le groupe de recherche a été pionnier dans le développement de techniques de mesure. Ils ont réussi à élucider la réponse turbulente et à établir une méthode pour vérifier l'étendue de l'allongement des tourbillons, conduisant à cette première découverte mondiale.
Des études théoriques et de simulation récentes utilisant des superordinateurs à grande échelle ont suggéré la possibilité de découvertes récentes d'interactions à échelle croisée entre la turbulence à micro-échelle et à plus petite échelle. Cette découverte représente la première observation expérimentale de ce phénomène et devrait accélérer le raffinement des modèles théoriques.
De plus, il devrait contribuer à améliorer les performances des futurs réacteurs à fusion basés sur ces modèles. D'un point de vue académique, l'interaction entre la turbulence à différentes échelles et les changements structurels brusques dans les tourbillons turbulents a fait l'objet d'études non seulement dans les plasmas de fusion en laboratoire mais également dans les plasmas cosmiques.
Les observations expérimentales détaillées obtenues dans le plasma à haute température du LHD devraient également contribuer à la compréhension de la physique des plasmas dans d'autres domaines.
