Découvert: champs magnétiques optimaux pour supprimer les instabilités dans les tokamaks

Anonim

La fusion, la puissance qui fait tourner le soleil et les étoiles, produit des quantités massives d'énergie. Les scientifiques sur Terre cherchent à reproduire ce processus, qui fusionne des éléments légers sous la forme de plasma chaud et chargé composé d’électrons libres et de noyaux atomiques, afin de créer une source d’énergie inépuisable pour produire de l’électricité. un pot. "

Un défi de longue date dans l’effort de capturer le pouvoir de la fusion sur Terre est de savoir comment réduire ou éliminer une instabilité commune qui se produit dans le plasma, appelée mode localisé de bord (ELM). De même que le soleil libère d'énormes éclats d'énergie sous la forme d'éruptions solaires, des éclats d'ELM en forme de torche peuvent se heurter aux tokamaks en forme de beignet qui contiennent des réactions de fusion, endommageant potentiellement les parois du réacteur.

Les ondulations contrôlent les nouvelles rafales

Pour contrôler ces sursauts, les scientifiques perturbent le plasma par de petites ondulations magnétiques appelées perturbations magnétiques résonnantes (RMP) qui déforment la forme lisse et lisse du plasma, libérant ainsi une pression excessive qui diminue ou empêche les ELM de se produire. La partie la plus difficile consiste à produire la juste quantité de cette distorsion 3D pour éliminer les ELM sans déclencher d’autres instabilités et libérer trop d’énergie, ce qui, dans le pire des cas, peut entraîner une perturbation majeure mettant fin au plasma.

Le fait qu’un nombre pratiquement illimité de distorsions magnétiques puisse être appliqué au plasma, ce qui rend la tâche extrêmement difficile, constitue un défi de taille. Mais pas plus

Le physicien Jong-Kyu Park du Laboratoire de physique des plasmas (PPPL) du Département américain de l'Énergie (DOE), en collaboration avec une équipe de collaborateurs des États-Unis et du National Fusion Research Institute (NFRI) en Corée, a prédit l'ensemble de distorsions 3D bénéfiques pour contrôler les ELM sans créer plus de problèmes. Les chercheurs ont validé ces prévisions sur l’installation coréenne de recherche avancée Tokamak supraconductrice (KSTAR), l’un des tokamaks supraconducteurs les plus avancés au monde, situé à Daejeon, en Corée du Sud.

KSTAR idéal pour les tests

KSTAR était idéal pour tester les prédictions en raison de ses contrôles magnétiques avancés pour générer des distorsions précises dans la symétrie quasi parfaite en forme de beignet du plasma. L'identification des distorsions les plus bénéfiques, qui représentent moins d'un pour cent de toutes les distorsions possibles pouvant être produites à l'intérieur de KSTAR, aurait été pratiquement impossible sans le modèle prédictif développé par l'équipe de recherche.

Le résultat a été un résultat déterminant. "Nous montrons pour la première fois la fenêtre complète d'opération tridimensionnelle dans un tokamak pour supprimer les ELM sans provoquer d'instabilités de base ni de confinement excessif", a déclaré Park, dont l'article coécrit 14 auteurs américains et sud-coréens. est publié dans Nature Physics. "Pendant longtemps, nous avons pensé qu'il serait trop difficile sur le plan informatique d'identifier tous les champs bénéfiques de la symétrie, mais notre travail démontre maintenant une procédure simple pour identifier l'ensemble de ces configurations."

Les chercheurs ont réduit la complexité des calculs quand ils ont réalisé que le nombre de façons dont le plasma peut se déformer est en réalité bien inférieur à la gamme de champs 3D possibles pouvant être appliqués au plasma. En travaillant en arrière, des distorsions aux champs tridimensionnels, les auteurs ont calculé les champs les plus efficaces pour éliminer les ELM. Les expériences KSTAR ont confirmé les prédictions avec une précision remarquable.

Les résultats apportent une nouvelle confiance

Les résultats obtenus sur KSTAR apportent une nouvelle confiance dans la capacité de prédire des champs tridimensionnels optimaux pour ITER, le tokamak international en construction en France, qui prévoit d’utiliser des aimants spéciaux pour produire des distorsions 3D afin de contrôler les ELM. Un tel contrôle sera vital pour ITER, dont l'objectif est de produire 10 fois plus d'énergie qu'il n'en faut pour chauffer le plasma. Selon les auteurs de l'article, "la méthode et le principe adoptés dans cette étude peuvent considérablement améliorer l'efficacité et la fidélité du processus d'optimisation 3D complexe dans les tokamaks".

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