Une manière de contrôler l’ampleur des instabilités dans le plasma des réacteurs à fusion a été découverte par une équipe internationale de chercheurs. De grandes instabilités peuvent endommager un réacteur, tandis que de petites instabilités pourraient s'avérer utiles pour éliminer les déchets d'hélium du plasma. Cette découverte pourrait donc fournir des indications importantes pour l’exploitation de réacteurs à fusion à grande échelle.
La fusion de noyaux d’hydrogène dans un plasma confiné magnétiquement pourrait fournir de grandes quantités d’énergie respectueuse de l’environnement. Cependant, le contrôle du plasma surchauffé reste un défi de taille.
Dans les réacteurs tokamak en forme de beignet les plus largement utilisés dans les expériences de fusion actuelles, le plasma est confiné par de puissants champs magnétiques. Cela génère de forts gradients de pression entre le bord du plasma et les parois du réacteur. Si le gradient de pression au bord est trop important, cela peut conduire à des instabilités appelées modes localisés en bord (ELM). Ceux-ci émettent des explosions de particules et d’énergie pouvant causer de graves dommages aux parois du réacteur.
Cette dernière étude a été dirigée par Georg Harrer à l'Université technique de Vienne. Pour étudier les conditions qui créent les ELM, l’équipe a mené des expériences au tokamak ASDEX Upgrade de l’Institut Max Planck de physique des plasmas en Allemagne.
Augmenter la densité du plasma
Ils ont découvert que les gros ELM peuvent être évités en augmentant la densité du plasma, ce qui donne lieu à des ELM plus petits et plus fréquents. En plus de causer moins de dégâts, les petits ELM pourraient aider à éliminer les déchets d’hélium du plasma.
Le résultat record du JET et la quête de l'énergie de fusion
L’équipe a également découvert qu’à des densités de plasma élevées, l’émergence d’ELM peut être contrôlée en ajustant la topologie des lignes de champ magnétique confinant le plasma. Dans un tokamak, ces lignes de champ s'enroulent en hélice autour du plasma, ce qui signifie que les forces qu'elles transmettent alternent en direction par rapport aux gradients de pression. Dans certaines régions du plasma, les forces agissent contre l’instabilité tandis que dans d’autres régions, elles encouragent l’instabilité. Ce compromis peut être caractérisé par un seuil d'instabilité, qui définit le gradient de pression minimum nécessaire pour créer des ELM.
Harrer et ses collègues ont découvert que l'augmentation de l'enroulement hélicoïdal du champ magnétique augmentait le seuil d'instabilité et réduisait donc la production d'ELM. De plus, l’augmentation du cisaillement magnétique au bord du plasma a conduit à un seuil d’instabilité plus élevé. Le cisaillement magnétique est l’angle entre deux lignes de champ magnétique qui se croisent.
L'utilisation d'un plasma avec un gradient de pression élevé augmente le gain d'énergie de fusion d'un réacteur à fusion, avec pour contrepartie un risque croissant de dommages à l'ELM. Cependant, de petits ELM pourraient s’avérer utiles pour expulser les déchets d’hélium. Il faut donc équilibrer finement ces phénomènes pour optimiser le fonctionnement des futurs réacteurs à fusion. Cette dernière recherche fournit des informations importantes sur la manière dont cela pourrait être réalisé.
L'équipe rend compte de ses conclusions dans Physical Review Letters.
