Illustration du plasma ionisé en forme de nuage dans le tokamak du réacteur de fusion ITER. Crédit : ITER
Des physiciens de l’EPFL, dans le cadre d’une grande collaboration européenne, ont révisé l’une des lois fondamentales qui a fondé plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.
Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.
There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.
Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”
The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)
“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).
Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.
“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”
La réponse est venue en 1988, lorsque le scientifique spécialiste de la fusion Martin Greenwald a publié une loi célèbre qui établit une corrélation entre la densité du combustible et le rayon mineur du tokamak (le rayon du cercle intérieur du beignet) et le courant qui circule dans le plasma à l’intérieur du tokamak. Depuis lors, la “limite de Greenwald” est un principe fondamental de la recherche sur la fusion ; en fait, la stratégie de construction des tokamaks d’ITER est basée sur cette loi.
Greenwald a dérivé la loi de manière empirique, c’est-à-dire entièrement à partir de données expérimentales – il ne s’agit pas d’une théorie testée, ou de ce que nous appellerions des “premiers principes””, explique Ricci. “Malgré tout, la limite fonctionnait assez bien pour la recherche. Et, dans certains cas, comme DEMO (le successeur d’ITER), cette équation constitue une grande limite à leur fonctionnement, car elle dit qu’on ne peut pas augmenter la densité du combustible au-delà d’un certain niveau.”
En collaboration avec d’autres équipes de tokamak, le Centre suisse du plasma, a conçu une expérience où il était possible d’utiliser une technologie très sophistiquée pour contrôler précisément la quantité de combustible injectée dans un tokamak. Les expériences massives ont été menées dans les plus grands tokamaks du monde, le Joint European Torus (JET) au Royaume-Uni, ainsi que dans l’ASDEX Upgrade en Allemagne (Institut Max Plank) et dans le tokamak TCV de l’EPFL. Ce vaste effort expérimental a été rendu possible par le Consortium EUROfusion, l’organisation européenne qui coordonne la recherche sur la fusion en Europe et à laquelle l’EPFL participe désormais par le biais de l’Institut Max Planck pour la physique des plasmas en Allemagne.
Au même moment, Maurizio Giacomin, doctorant dans le groupe de Ricci, a commencé à analyser les processus physiques qui limitent la densité dans les tokamaks, afin de dériver une loi de premier principe qui puisse corréler la densité du combustible et la taille du tokamak. Une partie de cette analyse a consisté à utiliser une simulation avancée du plasma réalisée à l’aide d’un modèle informatique.
“Les simulations exploitent certains des plus grands ordinateurs du monde, tels que ceux mis à disposition par le CSCS, le Centre national suisse de supercalcul et par EUROfusion”, explique Ricci. “Et ce que nous avons découvert, grâce à nos simulations, c’est qu’à mesure que l’on ajoute du combustible dans le plasma, des parties de celui-ci se déplacent de la couche froide extérieure du tokamak, la limite, vers son cœur, car le plasma devient plus turbulent. Ensuite, contrairement à un fil de cuivre électrique, qui devient plus résistant lorsqu’il est chauffé, les plasmas deviennent plus résistants lorsqu’ils se refroidissent. Ainsi, plus on y met de combustible à la même température, plus certaines parties se refroidissent – et plus il est difficile pour le courant de circuler dans le plasma, ce qui peut conduire à une perturbation.”
La simulation de ce phénomène était difficile. “La turbulence dans un fluide est en fait la question ouverte la plus importante en physique classique”, dit Ricci. “Mais la turbulence dans un plasma est encore plus compliquée car vous avez également des champs électromagnétiques”.
En fin de compte, Ricci et ses collègues ont réussi à déchiffrer le code, et à mettre “la plume sur le papier” pour dériver une nouvelle équation pour la limite de combustible dans un tokamak, qui s’aligne très bien avec les expériences. Publié dans le journal Physical Review Letters le 6 mai 2022, elle rend justice à la limite de Greenwald, en s’en rapprochant, mais la met à jour de manière significative.
La nouvelle équation postule que la limite de Greenwald peut être presque multipliée par deux en termes de combustible dans ITER ; cela signifie que les tokamaks comme ITER peuvent en fait utiliser près de deux fois la quantité de combustible pour produire des plasmas sans craindre de perturbations. “C’est important car cela montre que la densité que l’on peut atteindre dans un tokamak augmente avec la puissance dont on a besoin pour le faire fonctionner”, explique Ricci. “En fait, DEMO fonctionnera à une puissance beaucoup plus élevée que les tokamaks actuels et ITER, ce qui signifie que vous pouvez ajouter plus de densité de combustible sans limiter la production, contrairement à la loi de Greenwald. Et c’est une très bonne nouvelle.”
Référence : “First-Principles Density Limit Scaling in Tokamaks Based on Edge Turbulent Transport and Implications for ITER” par M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T.Eich, l’équipe de mise à niveau ASDEX, les contributeurs du JET et l’équipe TCV, 6 mai 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003
Liste des contributeurs
- Centre suisse du plasma de l’EPFL
- Institut Max-Planck de physique des plasmas
- L’équipe TCV de l’EPFL
- Équipe de mise à niveau ASDEX
- Contributeurs du JET
Financement : Consortium EUROfusion (programme de recherche et de formation Euratom), Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS).
