Des scientifiques proposent une solution à un long problème de fusion déroutant

Le physicien Stephen Jardin montrant des images de sa solution proposée. Crédit : Elle Starkman/PPPL Bureau des communications/Kiran Sudarsanan

Le paradoxe a choqué les scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) il y a plus d’une douzaine d’années. Plus ils rayonnaient de chaleur dans un tokamak sphérique, une installation magnétique conçue pour reproduire l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles, moins sa température centrale augmentait.

grand mystère

“Normalement, plus vous y mettez de puissance de jet, plus la température augmente”, a déclaré Stephen Jardin, chef du groupe de théorie et de science informatique qui a effectué les calculs et auteur principal d’un projet de déclaration publié dans Lettres d’évaluation physique† “C’était donc un grand mystère : pourquoi cela se produit-il ?”

Résoudre le mystère pourrait contribuer aux efforts déployés dans le monde entier pour créer et contrôler la fusion nucléaire sur Terre afin de produire une source pratiquement inépuisable d’énergie sûre, propre et sans carbone pour produire de l’électricité tout en luttant contre le changement climatique. La fusion combine des éléments légers sous forme de plasma pour libérer des quantités massives d’énergie.

À l’aide de récentes simulations informatiques à haute résolution, Jardin et ses collègues ont montré ce qui permet à la température de rester plate ou même de chuter au centre du plasma alimentant les réactions de fusion, même si une plus grande puissance de chauffage est rayonnée vers l’intérieur. L’augmentation de la puissance augmente également la pression dans le plasma au point où le plasma devient instable et le mouvement du plasma adoucit la température, ont-ils découvert.

“Ces simulations expliquent probablement une observation expérimentale faite il y a plus de 12 ans”, a déclaré Jardin. “Les résultats indiquent que lors de la conception et de la réalisation d’expériences de tokamak sphérique, il faut veiller à ce que la pression plasma atteigne certaines valeurs critiques à certains endroits du [facility]’, il a dit. “Et nous avons maintenant un moyen de quantifier ces valeurs grâce à des simulations informatiques.”

Les résultats mettent en évidence un obstacle majeur que les chercheurs doivent éviter lors de la reproduction des réactions de fusion dans les tokamaks sphériques – des dispositifs qui ressemblent davantage aux pommes évidées que les tokamaks conventionnels en forme de beignet plus couramment utilisés. Les dispositifs sphériques produisent des champs magnétiques rentables et sont candidats pour devenir des modèles pour une usine pilote de fusion.

Les chercheurs ont simulé des expériences précédentes à la National Spherical Torus Experiment (NSTX), l’installation de fusion phare de PPPL qui a depuis été modernisée, où le comportement déroutant du plasma avait été observé. Les résultats étaient largement cohérents avec ceux des expériences NSTX.

“Nous avons obtenu les données via NSTX et via un programme du DOE appelé SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] nous avons développé le code informatique que nous avons utilisé », a déclaré Jardin.

Le physicien PPPL et co-auteur Nate Ferraro a déclaré : “Le programme SciDAC a été absolument essentiel dans le développement du code.”

Mécanisme découvert

Le mécanisme découvert a provoqué une augmentation de la pression à certains endroits pour fracturer les surfaces magnétiques imbriquées formées par les champs magnétiques qui s’enroulent autour du tokamak pour piéger le plasma. La rupture a fait chuter la température des électrons dans le plasma et a empêché la température au centre du gaz chaud et chargé de monter à des niveaux pertinents pour la fusion.

“Donc, ce que nous pensons maintenant, c’est que lorsque vous augmentez la puissance du jet injecté, vous augmentez également la pression du plasma, et vous arrivez à un certain point où la pression commence à détruire les surfaces magnétiques près du centre du tokamak”, a déclaré Jardin. , “et c’est pourquoi la température ne monte plus.”

Ce mécanisme peut être courant dans les tokamaks sphériques, a-t-il déclaré, et la possible destruction des surfaces devrait être prise en compte lors de la planification des futurs tokamaks sphériques.

Jardin prévoit d’explorer davantage le processus pour mieux comprendre la destruction des surfaces magnétiques et pourquoi cela semble plus probable dans les tokamaks sphériques que conventionnels. Il a également été invité à présenter ses découvertes lors de la réunion annuelle de l’American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) en octobre, où les premiers scientifiques peuvent être recrutés pour aborder la question et fournir des détails sur le mécanisme proposé. .


Un code informatique de pointe pourrait faire progresser les efforts visant à exploiter l’énergie de fusion


Plus d’information:
SC Jardin et al, Ideal MHD Limited Electron Temperature in spherical tokamaks, Lettres d’évaluation physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.245001

Fourni par le laboratoire de physique des plasmas de Princeton

Devis: Des scientifiques proposent une solution au problème de fusion long et déroutant (13 juillet 2022) récupéré le 14 juillet 2022 sur https://phys.org/news/2022-07-scientists-solution-long-puzzling-fusion-problem.html

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