Comment la forme d'un tokamak impacte les limites du bord du plasma

Exploiter l’énergie du plasma nécessite une compréhension précise de son comportement lors de la fusion pour le maintenir chaud, dense et stable. Un nouveau modèle théorique sur le bord d'un plasma, qui peut devenir instable et bombé, rapproche la perspective d'une énergie de fusion commerciale de la réalité.

“Le modèle affine la réflexion sur la stabilisation du bord du plasma pour différentes formes de tokamak”, a déclaré Jason Parisi, physicien de recherche au PPPL. Parisi est l'auteur principal de trois articles décrivant le modèle publiés dans les revues La fusion nucléaire et Physique du plasma. L’article principal se concentre sur une partie du plasma appelée piédestal, située au bord. Le piédestal est sujet aux instabilités car la température et la pression du plasma chutent souvent brusquement dans cette zone.

Le nouveau modèle est remarquable car il est le premier à correspondre aux comportements de piédestal observés lors de l'expérience nationale sur le tore sphérique (NSTX) du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE). Alors que les tokamaks conventionnels ont la forme d'un beignet, le NSTX est l'un des nombreux tokamaks qui ont davantage la forme d'une pomme évidée. La différence dans les proportions du tokamak a un impact sur le plasma et, comme l'indique le modèle, sur le piédestal.

Instabilités en montgolfière

Parisi, avec une équipe de scientifiques, a exploré les limites des socles et étudié la pression qui pouvait être appliquée au plasma à l'intérieur d'un réacteur à fusion avant l'apparition d'instabilités. En particulier, ils ont étudié les perturbations du piédestal appelées instabilités de ballonnement : des renflements de plasma qui dépassent, comme l’extrémité d’un long ballon lorsqu’on le presse.

“Le modèle est une extension d'un modèle que les gens utilisent sur le terrain depuis peut-être 10 ans, mais nous avons rendu le calcul de la stabilité du ballon beaucoup plus sophistiqué”, a déclaré Parisi.

Pour développer leur modèle, les scientifiques ont examiné la relation entre les mesures du piédestal (hauteur et largeur) et les instabilités du ballonnement. Parisi a déclaré que le nouveau modèle s'adaptait du premier coup. “J'ai été surpris de voir à quel point cela fonctionne. Nous avons essayé de casser le modèle pour garantir qu'il était précis, mais il correspond très bien aux données”, a-t-il déclaré.

Élargir le modèle EPED

Le modèle existant, connu sous le nom d'EPED, était connu pour fonctionner avec les tokamaks en forme de beignet, mais pas avec les tokamaks sphériques. “Nous avons décidé de tenter le coup, et rien qu'en changeant une partie de l'EPED, cela fonctionne désormais très bien”, a déclaré Parisi. Les résultats donnent également aux chercheurs une image plus claire du contraste entre les deux conceptions de tokamak.

“Il y a certainement une grande différence entre la limite de stabilité pour la forme de pomme et celle du tokamak de forme standard, et notre modèle peut maintenant expliquer en partie pourquoi cette différence existe”, a-t-il déclaré. Les résultats pourraient aider à minimiser les perturbations du plasma.

Les tokamaks sont conçus pour intensifier la pression et la température du plasma, mais des instabilités peuvent contrecarrer ces efforts. Si le plasma déborde et touche les parois du réacteur, par exemple, il peut éroder les parois au fil du temps.

Les instabilités peuvent également rayonner de l’énergie loin du plasma. Connaître la pente d'un piédestal avant que des instabilités ne se produisent pourrait aider les chercheurs à trouver des moyens d'optimiser les plasmas pour les réactions de fusion en fonction des proportions du tokamak.

Bien qu'il ajoute qu'il n'est pas encore clair quelle forme est la plus avantageuse, le modèle suggère d'autres expériences qui tenteraient d'exploiter les aspects positifs de la forme de la pomme et de voir quels avantages elles pourraient apporter.

Fondamentalement, le nouveau modèle améliore notre compréhension des socles et rapproche les scientifiques de l’objectif plus ambitieux de concevoir un réacteur à fusion qui génère plus d’énergie qu’il n’en consomme.

Forme du plasma et mesures du piédestal

Le deuxième article de Parisi dans la série explore dans quelle mesure le modèle EPED s'aligne sur la hauteur et la largeur du piédestal pour différentes formes de plasma.

“Votre pression de fusion centrale, et donc votre puissance, est très sensible à la hauteur de votre piédestal. Et donc, si nous devions explorer différentes formes pour les futurs dispositifs de fusion, nous voulons absolument nous assurer que nos prédictions fonctionnent”, a-t-il déclaré. .

Parisi est parti d'anciennes données provenant de décharges expérimentales dans NSTX, puis a modifié la forme des bords du plasma. Il a constaté que le changement de forme avait un effet très important sur le rapport largeur/hauteur du socle. De plus, Parisi a découvert que certaines formes pourraient conduire à plusieurs piédestaux possibles, en particulier dans les tokamaks en forme de NSTX et de son descendant, en cours de mise à niveau, NSTX-U. Cela donnerait à ceux qui effectuent un tir de fusion le choix entre, par exemple, un piédestal raide ou peu profond.

“Quand les gens ont imaginé ces modèles de piédestal, ils essayaient de prédire la largeur et la hauteur du piédestal, car cela peut modifier considérablement la quantité d'énergie de fusion générée, et nous voulons être précis”, a déclaré Parisi. “Mais la façon dont les modèles sont construits pour le moment ne prend en compte que la stabilité du plasma.”

Chauffage, ravitaillement et socles

Le chauffage et le combustible sont d'autres facteurs importants explorés dans le troisième article de Parisi. Plus précisément, Parisi a examiné certains socles et a déterminé la quantité de chauffage et d'alimentation nécessaire pour y parvenir, compte tenu d'une forme particulière du plasma. Un socle raide nécessite généralement beaucoup plus de chauffage qu'un socle peu profond, par exemple.

L'article examine également comment un écoulement cisaillé, qui se produit lorsque des particules adjacentes se déplacent à des vitesses d'écoulement différentes, peut avoir un impact sur la hauteur et la largeur du socle. Des expériences antérieures menées au NSTX ont révélé que lorsqu'une partie de l'intérieur du récipient était recouverte de lithium et que le cisaillement de l'écoulement était fort, le socle devenait trois à quatre fois plus large que lorsqu'aucun lithium n'était ajouté.

“Cela semble pouvoir permettre au piédestal de continuer à grandir”, a déclaré Parisi. “Si vous pouviez avoir un plasma dans un tokamak entièrement constitué d'un piédestal, et si les gradients étaient vraiment raides, vous obtiendriez une pression centrale très élevée et une puissance de fusion très élevée.”

Comprendre les variables impliquées dans l’obtention d’un plasma stable et de haute puissance rapproche les chercheurs de leur objectif ultime : commercialiser l’énergie de fusion.

“Ces trois articles sont vraiment importants pour comprendre la physique des tokamaks sphériques et comment la pression du plasma s'organise dans cette structure où elle augmente fortement au bord et maintient une pression élevée dans le noyau. Si nous ne comprenons pas ce processus, nous pouvons” Je ne peux pas projeter en toute confiance sur de futurs appareils, et ce travail contribue grandement à atteindre cette confiance”, a déclaré le directeur adjoint de la recherche du NSTX-U et co-auteur des articles, Jack Berkery.