Les scientifiques ont découvert que l’ajout d’un produit d’entretien ménager courant – le bore minéral contenu dans des nettoyants tels que le Borax – peut améliorer considérablement la capacité de certains dispositifs à énergie de fusion à contenir la chaleur nécessaire pour produire des réactions de fusion sur Terre comme le font le soleil et les étoiles.
Des physiciens du laboratoire de physique des plasmas de Princeton du ministère américain de l’énergie (DOE) (PPPL), en collaboration avec des chercheurs japonais, ont fait cette observation sur le Large Helical Device (LHD) au Japon, une installation magnétique sinueuse que les Japonais appellent un “héliotron”. Les résultats ont démontré pour la première fois un nouveau régime pour confiner la chaleur dans des installations connues sous le nom de stellarators, similaires à l’héliotron. Ces résultats pourraient faire progresser la conception du vrille en tant que modèle pour les futures centrales à fusion.
Un confinement plus élevé
Les chercheurs ont produit le régime de confinement supérieur en injectant de minuscules grains de poudre de bore dans le LHD. plasma qui alimente les réactions de fusion. L’injection au moyen d’un compte-gouttes installé par le PPPL a permis de réduire fortement les tourbillons et les turbulences et d’augmenter la chaleur confinée qui produit les réactions.
Nous avons pu voir cet effet très clairement”, a déclaré Federico Nespoli, physicien du PPPL, auteur principal d’un nouvel article qui détaille le processus dans la revue “The Gazette”. Nature Physics. “Plus nous mettons de puissance dans le plasma, plus l’augmentation de la chaleur et du confinement est importante, ce qui serait idéal dans les conditions réelles d’un réacteur.”
Federico Nespoli, physicien de PPPL, au Large Helical Device au Japon. (Photo reproduite avec l’aimable autorisation de l’Institut national japonais des sciences de la fusion. Crédit : collage de Kiran Sudarsanan.
David Gates, physicien principal de recherche au PPPL et responsable du département des projets avancés qui a supervisé les travaux, a déclaré : ” Je suis très heureux de ces excellents résultats : “Je suis très enthousiasmé par les excellents résultats que Federico a présentés dans cet important article sur notre collaboration avec l’équipe du Large Helical Device. Lorsque nous avons lancé ce projet – le LHD Impurity Powder Dropper – en 2018, nous avions l’espoir qu’il pourrait y avoir un effet sur le confinement de l’énergie. Les observations sont encore meilleures que ce que nous attendions, avec une suppression de la turbulence sur une grande fraction du rayon du plasma. Je suis très reconnaissant à nos collègues japonais de nous avoir donné l’opportunité pour notre équipe de participer à ces expériences.”
Les résultats ont également ravi les chercheurs japonais. “Nous sommes très heureux et excités d’obtenir ces résultats”, a déclaré Masaki Osakabe, directeur exécutif du projet LHD et conseiller scientifique pour la recherche sur la fusion nucléaire pour le MEXT, le ministère japonais responsable de l’énergie nucléaire. “Nous sommes également honorés de collaborer avec PPPL”, a déclaré Osakabe. “Les résultats révélés par cette collaboration fourniront un bel outil pour contrôler le plasma haute performance dans un réacteur de fusion.”
Un concept prometteur
Les stellarators, construits pour la première fois dans les années 1950 sous la direction du fondateur de PPPL, Lyman Spitzer, sont un concept prometteur qui a longtemps talonné les installations magnétiques symétriques appelées tokamaks comme principal dispositif de production d’énergie de fusion. Un historique de confinement thermique relativement faible a joué un rôle dans le retard des stellarators, qui peuvent fonctionner dans un état stable avec peu de risque de perturbations du plasma auxquelles les tokamaks sont confrontés.
La fusion combine des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composé d’électrons libres et de noyaux atomiques, ou ions, qui constitue 99 % de l’univers visible – pour libérer des quantités massives d’énergie. Les tokamaks et les stellarators sont les principaux modèles magnétiques des scientifiques qui cherchent à obtenir une énergie de fusion sûre, propre et virtuellement illimitée afin de produire de l’énergie de fusion pour l’humanité.
Bien que le bore soit utilisé depuis longtemps pour conditionner les parois et améliorer le confinement dans les tokamaks, les scientifiques n’ont pas encore observé “une réduction généralisée de la turbulence et de la température”.
comme celle rapportée dans cet article”, selon le document. En outre, les observations n’ont pas fait état d’explosions de chaleur et de particules, appelées modes localisés sur le bord (ELM), qui peuvent se produire dans les tokamaks et les stellarators lors d’expériences de fusion à haut confinement (mode H).
Selon l’article, l’amélioration remarquable de la chaleur et du confinement dans le plasma LHD peut résulter de la réduction de ce que l’on appelle l’instabilité du gradient de température ionique (ITG), qui produit des turbulences à l’origine de la fuite du plasma du confinement. La réduction de la turbulence contraste avec un type de perte de chaleur appelé “transport néoclassique”, l’autre cause principale de la perte de chaleur.particules s’échappant de stellarator confinement.
Nouveau tour
Une nouvelle série d’expériences LHD est en cours, qui permettra de vérifier si l’amélioration de la chaleur et du confinement se poursuit pour une gamme accrue de taux d’injection de masse, de densité de plasma et de puissance de chauffage. Nespoli et ses collègues aimeraient également voir si la poudre de carbone peut fonctionner aussi bien que le bore. “Le bore crée un revêtement sur la paroi qui est bon pour le confinement et le carbone ne le fera pas”, a-t-il déclaré. “Nous voulons voir si toutes les poudres sont bonnes ou si c’est le bore qui améliore les conditions”.
Les autres objectifs comprennent l’évaluation de la capacité du bore à améliorer les performances du plasma pendant le fonctionnement en régime permanent du LHD, qui est capable de décharges de plasma extrêmement longues, jusqu’à une heure. De telles expériences pourraient fournir de nouvelles preuves de la valeur de la conception du stellarator à l’avenir.
Référence : “Observation of a reduced-turbulence regime with boron powder injection in a stellarator” par F. Nespoli, S. Masuzaki, K. Tanaka, N. Ashikawa, M. Shoji, E. P. Gilson, R. Lunsford, T. Oishi, K. Ida, M. Yoshinuma, Y. Takemura, T. Kinoshita, G. Motojima, N. Kenmochi, G. Kawamura, C. Suzuki, A. Nagy, A. Bortolon, N. A. Pablant, A. Mollen, N. Tamura, D. A. Gates et T. Morisaki, 10 janvier 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-021-01460-4
Le soutien à ce travail provient du DOE Office of Science.
