Le concept de dispositif de fusion nucléaire Wendelstein 7-X prouve son efficacité

Le système magnétique de Wendelstein 7-X. Cinquante bobines d’aimants supraconducteurs créent la cage magnétique pour confiner le plasma. Dans les formes de bobines torsadées, l’optimisation informatique a pris forme. Crédit : IPP

Partie de la stratégie d’optimisation confirmée expérimentalement / pertes d’énergie du plasma réduit.

L’un des objectifs d’optimisation les plus importants sous-jacents au dispositif de fusion Wendelstein 7-X de l’Institut Max Planck de physique des plasmas (IPP) à Greifswald a maintenant été confirmé. Une analyse des scientifiques de l’IPP dans la revue La nature montre : Dans la cage de champ magnétique optimisée, les pertes d’énergie du plasma sont réduites de la manière souhaitée. Wendelstein 7-X est destiné à prouver que les inconvénients des stellarators antérieurs peuvent être surmontés et que stellarateur-Les appareils de type conviennent aux centrales électriques.

Le stellarator optimisé Wendelstein 7-X, mis en service il y a cinq ans, est destiné à démontrer que les centrales à fusion de type stellarator sont adaptées aux centrales électriques. Le champ magnétique, qui enferme le plasma chaud et le maintient à l’écart des parois de la cuve, a été planifié avec un grand effort théorique et informatique de manière à éviter les inconvénients des stellarateurs antérieurs. L’un des objectifs les plus importants était de réduire les pertes d’énergie du plasma, qui sont causées par l’ondulation du champ magnétique. Ceci est responsable de la dérive des particules de plasma vers l’extérieur et de leur perte bien qu’elles soient liées aux lignes de champ magnétique.

Contrairement aux dispositifs concurrents de type tokamak, pour lesquels cette perte d’énergie et de particules dite « néo-classique » n’est pas un problème majeur, c’est une sérieuse faiblesse des stellarators conventionnels. Elle fait tellement augmenter les pertes avec l’élévation de la température du plasma qu’une centrale électrique conçue sur cette base serait très importante et donc très coûteuse.

Dans les tokamaks, en revanche – grâce à leur forme symétrique – les pertes dues à l’ondulation du champ magnétique ne sont que faibles. Ici, les pertes d’énergie sont principalement déterminées par de petits mouvements de vortex dans le plasma, par la turbulence – qui est également ajoutée comme canal de perte dans les stellarators. Par conséquent, afin de rattraper les bonnes propriétés de confinement des tokamaks, abaisser les pertes néoclassiques est une tâche importante pour l’optimisation des stellarateurs. En conséquence, le champ magnétique de Wendelstein 7-X a été conçu pour minimiser ces pertes.

Dans une analyse détaillée des résultats expérimentaux de Wendelstein 7-X, des scientifiques dirigés par le Dr Craig Beidler de la Stellarator Theory Division de l’IPP ont maintenant étudié si cette optimisation conduit à l’effet souhaité (voir Nature, DOI 10.1038/s41586-021-03687- w). Avec les dispositifs de chauffage disponibles jusqu’à présent, Wendelstein 7-X a déjà pu générer des plasmas à haute température et établir le record du monde stellarator du « produit de fusion » à haute température. Ce produit de la température, de la densité du plasma et du temps de confinement de l’énergie indique à quel point vous vous rapprochez des valeurs d’un plasma en combustion.

Un tel plasma record a maintenant été analysé en détail. A des températures plasmatiques élevées et à de faibles pertes turbulentes, les pertes néoclassiques du bilan énergétique ont pu être bien détectées ici : elles représentaient 30 % de la puissance calorifique, une part considérable du bilan énergétique.

L’effet de l’optimisation néoclassique du Wendelstein 7-X est maintenant démontré par une expérience de pensée : il a été supposé que les mêmes valeurs et profils de plasma qui ont conduit au résultat record du Wendelstein 7-X étaient également obtenus dans des plantes avec un champ magnétique moins optimisé. . Puis les pertes néoclassiques à attendre là-bas ont été calculées – avec un résultat clair : elles seraient supérieures à la puissance de chauffage d’entrée, ce qui est une impossibilité physique. “Cela montre”, explique le professeur Per Helander, chef de la division Stellarator Theory, “que les profils de plasma observés dans Wendelstein 7-X ne sont concevables que dans des champs magnétiques à faibles pertes néoclassiques. A l’inverse, cela prouve que l’optimisation du champ magnétique de Wendelstein a réussi à réduire les pertes néoclassiques.

Cependant, les décharges de plasma n’ont été jusqu’à présent que courtes. Pour tester les performances du concept Wendelstein en fonctionnement continu, un bardage mural refroidi à l’eau est en cours de pose. Ainsi équipés, les chercheurs travailleront progressivement jusqu’à des plasmas d’une durée de 30 minutes. Ensuite, il sera possible de vérifier si Wendelstein 7-X peut également remplir ses objectifs d’optimisation en fonctionnement continu – le principal avantage des stellarators.

Référence : « Démonstration de transport d’énergie néoclassique réduit dans Wendelstein 7-X » par CD Beidler, HM Smith, A. Alonso, T. Andreeva, J. Baldzuhn, MNA Beurskens, M. Borchardt, SA Bozhenkov, KJ Brunner, H. Damm , M. Drevlak, OP Ford, G. Fuchert, J. Geiger, P. Helander, U. Hergenhahn, M. Hirsch, U. Höfel, Ye. O. Kazakov, R. Kleiber, M. Krychowiak, S. Kwak, A. Langenberg, HP Laqua, U. Neuner, NA Pablant, E. Pasch, A. Pavone, TS Pedersen, K. Rahbarnia, J. Schilling, ER Scott, T. Stange, J. Svensson, H. Thomsen, Y. Turkin, F. Warmer, RC Wolf, D. Zhang et l’équipe W7-X, 11 août 2021, La nature.
DOI : 10.1038/s41586-021-03687-w

Fond

L’objectif de la recherche sur la fusion est de développer une centrale électrique respectueuse du climat et de l’environnement. Semblable au soleil, il doit générer de l’énergie à partir de la fusion des noyaux atomiques. Étant donné que le feu de fusion ne s’enflamme qu’à des températures supérieures à 100 millions de degrés, le combustible – un plasma d’hydrogène à faible densité – ne doit pas entrer en contact avec les parois froides de la cuve. Tenu par des champs magnétiques, il flotte presque sans contact à l’intérieur d’une chambre à vide.

La cage magnétique de Wendelstein 7-X est constituée d’un anneau de 50 bobines magnétiques supraconductrices. Leurs formes spéciales sont le résultat de calculs d’optimisation sophistiqués. Avec leur aide, la qualité du confinement du plasma dans un stellarator doit atteindre le niveau des installations concurrentes de type tokamak.