La fusion nucléaire, qui fonctionne sur le même principe que celui qui alimente le soleil, devrait devenir une source d'énergie durable pour l'avenir. Pour produire de l’énergie par fusion, il est essentiel de confiner le plasma à des températures supérieures à cent millions de degrés à l’aide d’un champ magnétique et de maintenir cet état de haute énergie de manière stable.
Un facteur clé pour y parvenir est le potentiel électrique à l’intérieur du plasma. Ce potentiel régit le transport des particules et de l'énergie au sein du plasma et joue un rôle crucial dans l'établissement d'un état dans lequel l'énergie est efficacement confinée et empêchée de s'échapper. Par conséquent, mesurer avec précision le potentiel interne du plasma est essentiel pour améliorer les performances des futurs réacteurs à fusion.
Une technique de diagnostic sans contact appelée sonde à faisceau d'ions lourds (HIBP) est utilisée pour mesurer directement le potentiel du plasma. Dans cette méthode, des ions d'or chargés négativement (Au⁻) sont accélérés et injectés dans le plasma.
En détectant la manière dont leur état de charge change lors des interactions avec le plasma, le potentiel électrique à l’intérieur du plasma peut être déduit avec une grande sensibilité. Cependant, l’obtention de signaux de haute précision nécessite un faisceau d’ions puissant et stable.
Bien que les progrès des sources d’ions négatifs aient augmenté le courant de faisceau disponible, le transport et l’injection efficaces de faisceaux à courant élevé dans l’accélérateur sont restés difficiles, limitant la précision du diagnostic réalisable.
Comment le système HIBP mesure le plasma
Dans le Large Helical Device (LHD), le système HIBP a été développé pour mesurer le potentiel électrique dans les plasmas.
Dans ce système, un faisceau d'ions dorés négatifs (Au⁻) est injecté dans un accélérateur tandem, converti en un faisceau d'ions dorés positifs (Au⁺), puis accéléré jusqu'à 6 méga-électrons volts (MeV) à la sortie de l'accélérateur avant d'être injecté dans le plasma.
Le faisceau qui devient Au²⁺ lors de collisions avec le plasma traverse le plasma magnétisé, et en mesurant la différence d'énergie entre le faisceau Au⁺ incident et le faisceau Au²⁺ après avoir traversé le plasma, le potentiel électrique à la position où Au²⁺ a été produit peut être déterminé.
Pour obtenir un signal potentiel clair et précis, un courant d’injection plus élevé dans le plasma est nécessaire.
Bien que le courant de sortie de la source d'ions Au⁻ ait été augmenté avec succès, le courant du faisceau d'injection dans l'accélérateur tandem n'a pas pu être augmenté en proportion directe, ce qui restait un défi important.
Résoudre le goulot d'étranglement du transport de faisceaux
Pour identifier la cause de cette limitation, une équipe de recherche a analysé l’efficacité du transport des faisceaux d’ions lourds du côté basse énergie – depuis la source d’ions négatifs jusqu’à l’entrée de l’accélérateur tandem – à l’aide du code de simulation de transport de faisceaux d’ions IGUN. L'ouvrage est publié dans la revue Fusion Nucléaire.
Les simulations ont révélé que lorsque le courant du faisceau Au⁻ est inférieur à 10 microampères (µA), le faisceau peut traverser la fente d'entrée pendant l'accélération. Cependant, à des courants de faisceau plus élevés, le faisceau se dilate en raison de l'effet de charge d'espace, ce qui entraîne une perte importante du faisceau avant d'entrer dans l'accélérateur tandem.
Pour les faisceaux d'ions lourds tels que l'or, cette limitation induite par la charge d'espace devient particulièrement prononcée même si le courant de sortie de la source d'ions négatifs est augmenté.
Pour améliorer l'efficacité du transport du faisceau, l'équipe a proposé d'utiliser l'accélérateur à plusieurs étages situé entre la source d'ions et l'accélérateur tandem, non seulement pour l'accélération mais également comme lentille électrostatique en optimisant sa distribution de tension.
Des simulations numériques ont démontré qu'en optimisant l'allocation de tension des électrodes à plusieurs étages, une région de transmission élevée dépassant 95 % pouvait être obtenue, améliorant considérablement l'efficacité du transport du faisceau par rapport à la configuration de tension conventionnelle.
Des expériences ultérieures sur le plasma ont confirmé la validité de cette approche, montrant que le courant du faisceau Au⁻ injecté dans l'accélérateur était multiplié par deux ou trois.
Extension des diagnostics plasmatiques et impact futur
À mesure que le courant du faisceau Au⁻ augmentait, le faisceau Au⁺ correspondant injecté dans le plasma augmentait également, élargissant ainsi la plage mesurable du potentiel du plasma dans le LHD jusqu'à une densité électronique moyenne en ligne de 1,75 × 10¹⁹ m⁻³.
La clarté améliorée du signal a permis la détection de transitions temporelles dans la distribution de potentiel interne du plasma associées à des changements dans l'état de confinement du plasma. À t = 4,0 s, le plasma était entretenu par chauffage par cyclotron électronique ; à t = 6,1 s, 0,1 s après l'arrêt du chauffage ; et à t = 7,0 s, par injection de faisceau neutre de 180 keV.
Les résultats ont révélé une diminution globale rapide du potentiel du plasma immédiatement après la fin du chauffage électronique, suivie d'un aplatissement progressif du profil de potentiel. Étant donné que les variations du potentiel du plasma influencent fortement les performances de confinement du plasma, ces données expérimentales sont indispensables pour améliorer les modèles prédictifs du comportement du plasma et pour établir de nouveaux cadres de confinement dans la recherche sur la fusion.
La méthode développée dans cette étude fournit une solution pratique et compacte pour optimiser le transport de faisceaux d’ions lourds et peut être étendue à d’autres systèmes de diagnostic et applications d’accélérateurs nécessitant des faisceaux de haute intensité.
En outre, la réalisation de mesures de haute précision et reproductibles de la structure du potentiel interne dans les plasmas de fusion de qualité réacteur est extrêmement importante en tant que base de données fondamentale pour les recherches futures sur le contrôle du plasma et la conception des réacteurs.
