Les collisions modifient la vitesse à laquelle les ions surfent sur les ondes de plasma dans les expériences de fusion et au-delà

Tout comme il existe des vagues dans l’océan, des vagues peuvent également se produire dans un gaz chargé électriquement appelé plasma, composé d’électrons et d’ions. Dans l’océan, les gens surfent en surfant sur leurs planches à peu près à la même vitesse que les vagues. Cette condition d'adaptation, appelée résonance, permet à la vague de pousser efficacement le surfeur en échangeant de l'énergie.

Dans les plasmas, les surfeurs peuvent être des ions très rapides, qui peuvent apparaître dans les dispositifs de fusion à la suite de réactions de fusion ou d'autres processus utilisés pour chauffer le plasma. Ces ions rapides font souvent le contraire des surfeurs dans l’océan : ils donnent de l’énergie aux vagues, les faisant grossir. Tandis que les particules résonantes échangent de l’énergie avec les ondes, elles sont également bousculées par d’autres particules du plasma lors de collisions aléatoires.

Le type de ces collisions et leur fréquence déterminent la taille des ondes et le mouvement des particules. Si les vagues deviennent trop grosses ou trop nombreuses, elles peuvent expulser les particules de surf de l'appareil, ce qui présente un danger potentiel pour les murs et réduit également la quantité d'énergie de fusion produite.

Le plasma des réacteurs à fusion doit être constamment chauffé pour maintenir les températures nécessaires à la production d'énergie. Cependant, les ions rapides qui chauffent le plasma peuvent également entrer en résonance avec les ondes du plasma. Cela peut provoquer une croissance de ces ondes et potentiellement expulser les ions rapides de l'appareil.

Les chercheurs doivent comprendre les interactions résonantes entre les ions rapides et les ondes plasmatiques pour prédire et atténuer tout effet indésirable. Une étude, maintenant publiée dans Lettres d'examen physiquea combiné des calculs mathématiques avec des simulations informatiques pour révéler comment différents types de collisions entrent en compétition pour déterminer la manière dont l'énergie est transférée entre les particules résonantes et les ondes de plasma.

Les chercheurs utilisent ces nouvelles connaissances pour formuler des modèles sur la manière de maintenir les plasmas suffisamment chauds pour entretenir les réactions de fusion. Le problème du plasma onde résonante-particules est également pertinent pour certaines interactions gravitationnelles dans les galaxies. Cela signifie que les méthodes de ce projet peuvent s’appliquer à la recherche astrophysique, y compris aux travaux sur la matière noire.

Dans les expériences de fusion, les ions rapides maintiennent le plasma suffisamment chaud pour fusionner en cédant leur énergie au plasma de fond par le biais de collisions avec des électrons. Deux types distincts de collisions se produisent : la diffusion diffusive et la traînée convective. Les collisions diffuses sont du même type que celles qui conduisent à la dispersion de boules de billard sur une table de billard.

Pendant ce temps, les collisions par traînée sont responsables de la force que vous ressentez sur votre main lorsque vous la passez par la fenêtre d'une voiture en mouvement. En fonction de la vitesse des ions rapides et de la température du plasma, chaque type de collision entre en compétition pour exercer une plus grande influence sur le comportement des ions rapides. Plus précisément, une vitesse d’ion rapide plus élevée rend la traînée plus importante, tandis qu’une température de plasma plus élevée favorise la diffusion.

En même temps que les ions rapides chauffent le plasma de fond par le biais de collisions, ils peuvent également interagir par résonance avec les ondes du plasma qui agissent pour saper leur énergie, refroidissant potentiellement le plasma. Sans aucune collision, une résonance entre les ions rapides et les ondes ne se produit que lorsque la vitesse des particules correspond exactement à la vitesse de l’onde.

Les scientifiques savent depuis longtemps que les collisions diffusives agissent pour « atténuer » la résonance, permettant aux particules d'échanger efficacement de l'énergie avec la vague même si leur vitesse est un peu plus rapide ou plus lente que le déplacement de la vague. La nouvelle découverte de cette recherche est que lorsqu'une traînée est présente, ce type de collision modifie la vitesse à laquelle la résonance se produit, ce qui implique que l'énergie est réellement échangée plus efficacement lorsqu'il existe une petite différence entre la vitesse de l'ion rapide et celle du plasma. vagues.

Dans cette étude, les chercheurs ont caractérisé la force de l’interaction onde-particule avec un objet mathématique appelé fonction de résonance, qui dépend de la différence entre les vitesses des vagues et des particules. Lorsque les collisions par traînée se produisent beaucoup plus souvent que les collisions diffusives, quelque chose d'encore plus bizarre se produit : il existe des vitesses entièrement nouvelles auxquelles un transfert d'énergie efficace devient possible.

Ce phénomène crée effectivement de nouvelles résonances qui n’existaient pas sans traînée, représentées par de nouveaux pics apparaissant dans la fonction de résonance, et étendant la portée de l’interaction résonante. La fonction de résonance, dérivée entièrement théoriquement, détermine la taille des ondes en se nourrissant de l'énergie libre des ions rapides résonnants, ainsi que la manière dont ces particules seront projetées par l'onde.

Les simulations informatiques non linéaires ont trouvé un excellent accord avec les prédictions théoriques, confirmant la validité de la fonction de résonance dérivée pour toute combinaison des deux types de collisions et faisant progresser notre compréhension fondamentale de la façon dont les collisions influencent les interactions onde résonante-particules dans les plasmas. Une fois la théorie de base vérifiée, elle peut désormais être appliquée en toute confiance pour améliorer les codes utilisés pour simuler la vitesse de comportement des ions dans les dispositifs à fusion, une étape cruciale sur la voie du développement de centrales électriques à fusion commerciales.