Une nouvelle loi brise les restrictions à l’intégration

Les physiciens de l’EPFL, dans le cadre d’une collaboration européenne majeure, ont révisé l’une des lois fondamentales qui a été au cœur de la recherche sur le plasma et la fusion pendant plus de trois décennies, régissant même la conception de mégaprojets comme ITER. La mise à jour montre que nous pouvons en fait utiliser en toute sécurité plus d’hydrogène dans les réacteurs à fusion, obtenant ainsi plus d’énergie qu’on ne le pensait auparavant.

La fusion est l’une des sources d’énergie du futur les plus prometteuses. Il comprend deux noyaux atomiques qui se combinent en un seul noyau, libérant ainsi d’énormes quantités d’énergie. En fait, nous testons la fusion Chaque jour : vient de la chaleur du soleil noyaux d’hydrogène Fusion en atomes d’hélium plus lourds.

Il existe actuellement un vaste projet international de recherche sur la fusion appelé ITER, qui vise à reproduire les processus de fusion du Soleil pour générer de l’énergie sur Terre. Son objectif est de produire un plasma à haute température qui fournit le bon environnement pour que la fusion se produise et pour la production d’énergie.

Le plasma – un état gazeux de la matière ionisée – se compose de noyaux chargés positivement et d’électrons chargés négativement, et est un million de fois moins dense que l’air que nous respirons. Le plasma est formé en maîtrisant le « combustible de fusion » –atomes d’hydrogène—à des températures extrêmement élevées (10 fois la température du noyau du Soleil), forçant les électrons à s’en séparer noyaux atomiques. Le processus se déroule dans une structure en forme de beignet (« annulaire ») appeléetokamak. « 

Dit Paolo Ricci du Swiss Plasma Center, l’un des principaux instituts de recherche mondiaux dans le domaine de la fusion situé à l’EPFL.

Grâce à une collaboration européenne majeure, l’équipe de Ricci a maintenant publié une étude pour mettre à jour le principe fondamental de la génération de plasma – et pour montrer que le futur tokamak ITER peut en fait fonctionner avec deux fois plus d’hydrogène et ainsi générer plus de puissance de fusion qu’on ne le pensait auparavant.

« L’une des limites de la fabrication du plasma à l’intérieur du tokamak est la quantité d’hydrogène que vous pouvez y injecter », explique Ritchie. « Depuis les premiers jours de la fusion, nous savons que si vous essayez d’augmenter la densité du carburant, à un moment donné, il y aura ce que nous appelons une » perturbation « – vous perdez simplement la limite complètement, et le plasma va où qu’il se trouve. Dans les années 80, les gens essayaient de trouver une sorte de loi qui pourrait prédire la densité maximale d’hydrogène que vous pouvez mettre à l’intérieur d’un tokamak.

La réponse est venue en 1988, lorsque le spécialiste de la fusion Martin Greenwald a publié une célèbre loi reliant la densité du carburant au petit rayon du tokamak (le rayon du cercle intérieur d’un beignet) et au courant circulant dans le plasma à l’intérieur du tokamak. Depuis lors, la « limite de Greenwald » est devenue un principe central de la recherche sur la fusion ; C’est d’ailleurs là-dessus que repose la stratégie d’ITER pour la construction du tokamak.

« Greenwald a dérivé la loi empiriquement, et cela entièrement à partir de données expérimentales« Ce n’est pas une théorie éprouvée, ou ce que nous appelons des « premiers principes », explique Ritchie. Cependant, la limite a bien fonctionné dans la recherche. Et dans certains cas, comme DEMO (le successeur d’ITER), cette équation est à peu près une limiter son fonctionnement car il stipule que vous ne pouvez pas augmenter l’intensité du carburant au-dessus d’un certain niveau.

En collaboration avec les équipes du tokamak, le Swiss Plasma Center a conçu une expérience où une technologie très avancée pourrait être utilisée pour contrôler avec précision la quantité de carburant injectée dans le tokamak. Les essais massifs ont été menés sur le plus grand tokamak du monde, le Joint European Tokamak (JET) au Royaume-Uni, ainsi que sur la mise à niveau ASDEX en Allemagne (Max Planck Institute) et le tokamak TCV de l’EPFL. Cet effort expérimental majeur a été rendu possible par le Consortium EUROfusion, l’organisation européenne coordonnant la recherche sur la fusion en Europe et dans laquelle l’EPFL est désormais impliquée via l’Institut Max Planck de physique des plasmas en Allemagne.

Parallèlement, Maurizio Giacomene, Ph.D. Étudiant dans le groupe de Ricci, il a commencé à analyser les processus physiques limitant la densité dans les tokamaks, afin d’en déduire une loi de premier principe qui pourrait relier la densité des combustibles au volume des tokamaks. Une partie de cela implique l’utilisation d’une simulation avancée du plasma à l’aide d’un modèle informatique.

«Les simulations tirent parti de certains des plus grands ordinateurs au monde, tels que ceux rendus possibles par le CSCS, le Centre national suisse de calcul intensif et EUROfusion», explique Ritchie. « Et ce que nous avons découvert, grâce à nos simulations, c’est que lorsque vous ajoutez plus de carburant au plasma, des parties de celui-ci se déplacent de la couche froide externe du tokamak, la limite, jusqu’à son noyau, car le plasma devient plus turbulent. Ensuite, contrairement au fils de cuivre électriques, qui deviennent plus résistants lorsqu’ils sont chauffés, le plasma devient plus résistant lorsqu’il refroidit.Ainsi, plus vous y mettez de carburant à la même température, des parties de celui-ci se refroidissent et il devient plus difficile pour le courant de circuler dans le plasma, ce qui peut entraîner des turbulences. »

C’était un défi à simuler. « La turbulence dans un fluide est en fait le problème ouvert le plus important en physique classique », déclare Ritchie. « Mais l’agitation dans plasma Plus compliqué parce que vous avez aussi des champs électromagnétiques. »

En fin de compte, Ritchie et ses collègues ont pu déchiffrer le code et mettre « stylo sur papier » pour dériver une nouvelle équation pour la limite maximale de carburant au tokamak, qui s’aligne bien avec les expériences. Publié dans Lettres d’examen physiqueil rend justice aux limites de Greenwald, en s’en rapprochant, mais les met à jour de manière importante.

La nouvelle équation suppose que la limite de Greenwald peut être augmentée d’environ deux fois en termes de combustible à ITER ; Cela signifie que des tokamaks comme ITER peuvent en fait utiliser deux fois plus de carburant pour produire du plasma sans se soucier des turbulences. « C’est important car cela montre que l’intensité que vous pouvez atteindre dans un tokamak augmente avec la puissance dont vous avez besoin pour le faire fonctionner », déclare Ritchie. En fait, DEMO fonctionnera à une puissance beaucoup plus élevée que les tokamaks et ITER existants, ce qui signifie que vous pouvez ajouter plus le carburant Densité sans limitation de production, contrairement à la loi de Greenwald. C’est une très bonne nouvelle. »