Des physiciens du plasma utilisent des imperfections magnétiques pour améliorer la réaction de fusion.

• Des scientifiques ont développé une nouvelle approche de contrôle du plasma de fusion inspirée par l'art japonais du kintsugi.
• L'approche consiste à adapter les imperfections du champ magnétique pour améliorer la stabilité du plasma simultanément au cœur et en périphérie du plasma.
• La recherche a des implications significatives pour la conception des futurs réacteurs à fusion tokamak, ce qui pourrait les rendre plus efficaces et fiables.

L'idée du Laboratoire de Physique des Plasmas de Princeton (PPPL) suit l'art japonais du kintsugi, où un artiste prend les morceaux brisés d'un bol et les soude ensemble avec de l'or pour créer un produit final plus beau que l'original.

Crédit photo: Laboratoire de Physique des Plasmas de Princeton. Cliquez sur le lien du communiqué de presse pour voir l'image en grand et d'autres images.

Cette idée inspire une nouvelle approche pour gérer le plasma, l'état surchauffé de la matière, en tant que source d'énergie par fusion. Les scientifiques utilisent les imperfections des champs magnétiques qui confinent une réaction pour améliorer et renforcer le plasma, selon une nouvelle étude publiée dans la revue Nature Communications.

Joseph Snipes, le chef adjoint du département des sciences expérimentales du Tokamak au PPPL et co-auteur de l'étude, a déclaré : "Cette approche vous permet de maintenir un plasma de haute performance, en contrôlant simultanément les instabilités au cœur et en bordure du plasma. Ce contrôle simultané est particulièrement important et difficile à réaliser, c'est ce qui rend ce travail spécial."

Le physicien du PPPL, Seong-Moo Yang, a dirigé l'équipe de recherche, qui regroupe diverses institutions aux États-Unis et en Corée du Sud. Yang affirme que c'est la première fois qu'une équipe de recherche valide une approche systématique pour ajuster les imperfections des champs magnétiques afin de rendre le plasma adapté à une utilisation en tant que source d'énergie. Ces imperfections des champs magnétiques sont appelées champs d'erreur.

"Notre nouvelle méthode identifie les corrections optimales des champs d'erreur, améliorant la stabilité du plasma," a déclaré Yang. "Cette méthode a prouvé qu'elle améliorait la stabilité du plasma dans différentes conditions, par exemple, lorsque le plasma se trouvait sous des conditions de confinement magnétique élevé et faible."

Correction des erreurs difficile

Les champs d'erreur sont généralement causés par de minuscules défauts dans les bobines magnétiques du dispositif qui contient le plasma, appelé tokamak.

Jusqu'à présent, les champs d'erreur étaient considérés comme un désagrément car même un tout petit champ d'erreur pouvait entraîner une perturbation du plasma, mettant fin aux réactions de fusion et endommageant les parois du vaisseau de fusion. Par conséquent, les chercheurs en fusion ont passé un temps considérable à trouver méticuleusement des moyens de corriger les champs d'erreur.

"Il est assez difficile d'éliminer les champs d'erreurs existants, donc au lieu de corriger ces irrégularités des bobines, nous pouvons appliquer des champs magnétiques supplémentaires autour du vaisseau de fusion dans un processus appelé correction des champs d'erreur," a expliqué Yang.

Dans le passé, cette approche aurait également été préjudiciable au cœur du plasma, rendant ainsi le plasma inadapté à la génération d'énergie par fusion. Cette fois, les chercheurs ont réussi à éliminer les instabilités en bordure du plasma et à maintenir la stabilité du cœur. Cette recherche est un exemple parfait de la manière dont les chercheurs du PPPL comblent le fossé entre la technologie de fusion actuelle et ce qui sera nécessaire pour amener l'énergie de fusion sur le réseau électrique.

SangKyeun Kim, scientifique chercheur au PPPL et co-auteur de l'étude, a expliqué : "C'est en fait une façon très efficace de rompre la symétrie du système, permettant aux humains de dégrader intentionnellement le confinement. C'est comme faire un tout petit trou dans un ballon pour qu'il n'explose pas." Tout comme l'air s'échapperait d'un petit trou dans un ballon, une petite quantité de plasma fuit du champ d'erreur, ce qui aide à maintenir sa stabilité globale.

Gestion simultanée du cœur et du bord du plasma

L'un des défis les plus difficiles de la gestion d'une réaction de fusion est de parvenir à ce que à la fois le cœur et le bord du plasma se comportent en même temps. Il existe des zones idéales pour la température et la densité du plasma dans les deux régions, et atteindre ces objectifs tout en éliminant les instabilités est difficile.

Cette étude démontre que l'ajustement des champs d'erreur peut stabiliser simultanément à la fois le cœur et le bord du plasma. En contrôlant soigneusement les champs magnétiques produits par les bobines du tokamak, les chercheurs ont pu supprimer les instabilités en bordure, également appelées modes localisés en bordure (ELM), sans causer de perturbations ou une perte substantielle de confinement.

Qiming Hu, physicien chercheur au PPPL et autre auteur de l'étude, a souligné : "Nous essayons de protéger le dispositif."

Extension de la recherche au-delà de KSTAR

La recherche a été menée à l'aide du tokamak KSTAR en Corée du Sud, qui se distingue par sa capacité à ajuster sa configuration de champ d'erreur magnétique avec une grande flexibilité. Cette capacité est cruciale pour expérimenter avec différentes configurations de champs d'erreur afin de trouver les plus efficaces pour stabiliser le plasma.

Les chercheurs affirment que leur approche a des implications significatives pour la conception des futures centrales pilotes de fusion à tokamak, les rendant potentiellement plus efficaces et fiables. Ils travaillent actuellement sur une version basée sur l'intelligence artificielle (IA) de leur système de contrôle pour le rendre plus efficace.

"Ces modèles sont assez complexes ; ils prennent un certain temps à calculer. Mais lorsqu'on veut faire quelque chose dans un système de contrôle en temps réel, on ne dispose que de quelques millisecondes pour effectuer un calcul," a déclaré Snipes. "En utilisant l'intelligence artificielle, vous pouvez essentiellement apprendre au système à quoi s'attendre et être capable d'utiliser cette intelligence artificielle pour prédire à l'avance ce qui sera nécessaire pour contrôler le plasma et comment le mettre en œuvre en temps réel."

Bien que leur nouvel article mette en lumière le travail effectué en utilisant les bobines magnétiques internes de KSTAR, Hu suggère que des recherches futures avec des bobines magnétiques à l'extérieur du vaisseau de fusion seraient précieuses car la communauté de la fusion s'éloigne de l'idée de loger de telles bobines à l'intérieur du vaisseau scellé sous vide en raison de la destruction potentielle de ces composants par la chaleur extrême du plasma.

Des chercheurs de l'Institut coréen de l'énergie de fusion (KFE), de l'Université Columbia et de l'Université nationale de Séoul ont également été essentiels pour le projet.

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Avec une grande variété de dispositifs essayant de maintenir le plasma en place suffisamment longtemps pour entrer en fusion et rester ainsi – chaque once de savoir-faire acquis est précieux. Contrôler le plasma est une activité très difficile. Devenir assez compétent pour commencer la fusion, la maintenir et en retirer de l'énergie nette sera un défi remarquable pour l'histoire.

Par Brian Westenhaus via New Energy and Fuel

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