La découverte d'une nouvelle transition de turbulence dans les plasmas de fusion

L'énergie de fusion est libérée lorsque deux noyaux légers se combinent pour n'en former qu'un seul, plus lourd (réaction de fusion nucléaire). La production d’électricité basée sur l’énergie de fusion (centrale électrique à fusion) utilise l’énergie générée lorsque le deutérium et le tritium se combinent pour former de l’hélium.

Une réaction de fusion nucléaire ne produit pas de dioxyde de carbone. En outre, comme il est possible d’extraire le deutérium et le tritium de l’eau de mer, l’énergie de fusion est considérée comme une source d’énergie durable et la recherche sur ses applications pratiques a progressé rapidement ces dernières années.

Pour initier une réaction de fusion, le deutérium et le tritium doivent être chauffés à plus de 100 millions de degrés Celsius pour former du plasma, qui est ensuite maintenu par une puissante « cage » magnétique. Cependant, lorsque des turbulences sont excitées dans le plasma, le plasma s’écoule hors de la « cage » magnétique.

La turbulence est donc un sujet important dans la recherche sur la fusion, et sa suppression est essentielle à la réalisation d’une centrale électrique à fusion. Pour la suppression des turbulences, une compréhension du mécanisme physique de l’excitation des turbulences est essentielle, et le LHD est l’appareil idéal pour relever ce défi.

Par exemple, la mesure de la turbulence n’est généralement pas facile, mais les chercheurs ont réussi à mesurer non seulement son amplitude mais également son profil spatial et sa direction de propagation à l’aide de diagnostics laser de précision. De plus, ces séries d’expériences ont été menées au cours d’une période d’expérimentation sur le deutérium (2017-2022) dans le LHD, et la dépendance de la turbulence en fonction de la masse des ions a été étudiée.

Un groupe de recherche dirigé par le professeur adjoint Toshiki Kinoshita (Institut de recherche en mécanique appliquée, Université de Kyushu), le professeur Kenji Tanaka (Institut national des sciences de la fusion, Instituts nationaux des sciences naturelles) et le professeur Akihiro Ishizawa (École supérieure des sciences de l'énergie, Université de Kyoto) et d'autres ont réalisé des expériences dans lesquelles la densité (quantité d'électrons et d'ions) du plasma d'hydrogène a été modifiée dans des conditions de chauffage identiques pour acquérir une compréhension globale de la turbulence dans le LHD.

Leur article est publié dans la revue Lettres d'examen physique.

Dans le même temps, les turbulences ont été mesurées en détail. En conséquence, il a été constaté que la turbulence est plus supprimée à une certaine densité (densité de transition), et en dessous de la densité de transition, elle diminue avec l'augmentation de la densité, mais au-dessus de la densité de transition, elle commence à augmenter. De plus, il a été observé que la direction de propagation des turbulences s’inverse après la densité de transition. Ce résultat implique que la nature de la turbulence change autour de la densité de transition (transition de turbulence).

Ensuite, pour corroborer la transition de turbulence, des simulations ont été réalisées sur le supercalculateur Raijin. En conséquence, les chercheurs ont découvert que la turbulence observée en dessous de la densité de transition était principalement causée par le gradient de température des ions, tandis que celle au-dessus était principalement causée par le gradient de pression et la résistivité du plasma.

De plus, ils ont identifié que ce changement dans la turbulence est un mécanisme physique important de suppression de la turbulence. Ainsi, en utilisant pleinement les expériences et les simulations, ils ont révélé que la suppression des turbulences observée était due à un changement du mode de turbulence, c'est-à-dire une transition de turbulence.

De plus, des expériences dans les mêmes conditions ont été menées dans des plasmas de deutérium et comparées avec des plasmas d'hydrogène. En conséquence, ils ont découvert que les transitions de turbulence se produisent à une densité plus élevée pour le plasma de deutérium, c'est-à-dire que la turbulence est supprimée à une densité plus élevée.

De plus, de manière surprenante, la turbulence observée au-dessus de la densité de transition est clairement supprimée dans les plasmas de deutérium. La suppression des turbulences observée à haute densité dans les plasmas de deutérium implique qu'elle sera encore supprimée dans les plasmas de mélange deutérium/tritium de densité plus élevée et de masse plus lourde envisagés pour la production d'énergie de fusion. Il s’agit d’un résultat favorable pour une réalisation rapide de la production d’énergie par fusion.

Cette étude montre que la turbulence est plus supprimée pendant la transition de turbulence et que la densité de transition de turbulence est plus élevée dans les plasmas de deutérium que dans les plasmas d'hydrogène. Les différentes densités de transition signifient que les conditions de transition de turbulence ne sont pas déterminées uniquement par la densité électronique.

L'étape suivante consiste à identifier les conditions de transition de turbulence sur la base du contexte physique de la turbulence et à développer des scénarios d'exploitation innovants avec des conditions de faible turbulence pour les centrales électriques à fusion.

Les chercheurs souhaitent également étendre leurs recherches à une extrapolation aux plasmas mixtes deutérium/tritium et à leur application à la conception d'installations afin de trouver des solutions efficaces pour réaliser l'énergie de fusion.