Pourquoi griller du plasma quand vous pouvez le mettre au micro-ondes

Certains pensent que l’avenir de la fusion aux États-Unis réside dans des réacteurs de fusion compacts et sphériques. Un tokamak plus petit, pense-t-on, pourrait offrir une option de fusion plus économique. L’astuce consiste à tout faire tenir dans un espace réduit. De nouvelles recherches suggèrent d’éliminer un composant majeur utilisé pour chauffer le plasma, libérant ainsi de l’espace indispensable.

Des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l’énergie (DOE), de la société privée Tokamak Energy et de l’université de Kyushu au Japon ont proposé une conception pour une usine pilote de fusion sphérique et compacte qui chauffe le plasma en utilisant uniquement des micro-ondes.

En général, les tokamaks sphériques utilisent également une bobine massive de fil de cuivre appelée solénoïde, située près du centre du récipient, pour chauffer le plasma. L’injection de faisceaux neutres, qui consiste à appliquer des faisceaux de particules non chargées au plasma, est également souvent utilisée. Mais tout comme une petite cuisine, il est plus facile de la concevoir si elle comporte moins d’appareils électroménagers, il serait plus simple et plus économique de fabriquer un tokamak compact s’il comporte moins de systèmes de chauffage.

La nouvelle approche élimine le chauffage ohmique, qui est le même chauffage qui se produit dans un grille-pain et qui est standard dans les tokamaks.

« Un plasma tokamak compact et sphérique ressemble à une pomme évidée avec un cœur relativement petit, ce qui fait qu’il n’y a pas assez de place pour une bobine de chauffage ohmique », a déclaré Masayuki Ono, physicien de recherche principal au PPPL et auteur principal de l’article détaillant la nouvelle recherche. « Si nous n’avons pas besoin d’inclure une bobine de chauffage ohmique, nous pouvons probablement concevoir une machine plus facile et moins chère à construire. »

L’article est publié dans la revue La fusion nucléaire.

Identifier l’angle de faisceau et le mode de chauffage idéaux

Les micro-ondes sont une forme de rayonnement électromagnétique qui peut être générée à l’aide d’un appareil appelé gyrotron. Les gyrotrons seraient placés à l’extérieur du tokamak, métaphoriquement parlant, juste à l’extérieur de la peau de la pomme, et dirigés vers le cœur. En émettant de puissantes ondes dans le plasma, les gyrotrons généreraient un courant en déplaçant des particules chargées négativement appelées électrons.

Ce processus, connu sous le nom de courant cyclotronique électronique (ECCD), entraîne un courant dans le plasma et le réchauffe. Cependant, le processus de chauffage ne se résume pas à la simple activation de quelques gyrotrons. Les chercheurs doivent modéliser différents scénarios et déterminer divers détails, comme le meilleur angle pour orienter les gyrotrons afin que les micro-ondes pénètrent correctement dans le plasma.

À l’aide d’un code informatique appelé TORAY couplé à un autre appelé TRANSP, l’équipe a analysé les angles de visée et a déterminé celui qui offrait le meilleur rendement. L’objectif est d’utiliser le moins d’énergie possible pour alimenter le courant nécessaire.

« Il faut également éviter que l’énergie injectée dans le plasma ne ressorte », explique Jack Berkery, co-auteur de l’article et directeur adjoint de la recherche pour le National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U). Cela peut se produire lorsque les micro-ondes sont réfléchies par le plasma ou lorsqu’elles pénètrent dans le plasma mais en ressortent sans modifier le courant ou la température du plasma.

« Il y a eu de nombreuses analyses de différents paramètres pour trouver la meilleure solution », a déclaré Berkery.

L’équipe de recherche a également déterminé quel mode de l’ECCD fonctionnerait le mieux pour chaque phase du processus de chauffage. Il existe deux modes : le mode ordinaire, appelé mode O, et le mode extraordinaire, appelé mode X. Les chercheurs considèrent que le mode X est le plus adapté pour augmenter la température et le courant du plasma, tandis que le mode O est le meilleur choix après l’augmentation, lorsque la température et le courant du plasma doivent simplement être maintenus.

« Le mode O est adapté aux plasmas à haute température et haute densité. Mais nous avons constaté que l’efficacité du mode O devient très faible à des températures plus basses, il faut donc un autre appareil pour gérer le régime à basse température », a déclaré Ono.

Considérant l’impact des impuretés

Les auteurs, dont le chercheur postdoctoral Kajal Shah, ont également étudié la manière dont l’énergie serait diffusée à partir du plasma. Ce rayonnement pourrait être important dans un plasma aussi gros que celui nécessaire à la fusion commerciale. Luis Delgado-Aparicio, responsable du département des projets avancés du laboratoire et co-auteur de l’article, note qu’il sera particulièrement important de minimiser le nombre d’impuretés provenant d’éléments ayant un numéro atomique élevé, également connu sous le nom de numéro Z, dans le tableau périodique. Il s’agit d’éléments contenant de nombreuses particules chargées positivement, appelées protons.

Plus un élément possède de protons, plus son nombre Z est élevé et plus il peut contribuer à la perte de chaleur. Le tungstène et le molybdène, par exemple, ont des nombres Z, leur utilisation dans un tokamak sphérique compact devrait donc être soigneusement étudiée en vue de faire fonctionner le réacteur de manière à réduire le transfert d’impuretés dans le plasma.

Bien que les champs magnétiques puissants confinent en grande partie le plasma à l’intérieur d’un tokamak dans une forme particulière, le plasma peut parfois se rapprocher des parois intérieures du tokamak. « Lorsque cela se produit, les atomes des parois peuvent s’échapper et pénétrer dans le plasma, le refroidissant », a déclaré Delgado-Aparicio. « Même une quantité relativement faible d’un élément avec un nombre Z élevé peut provoquer une baisse significative de la température du plasma. »

Il est donc particulièrement important de garder les impuretés hors du plasma, autant que possible, en particulier lorsque la température augmente encore.

Partenariats public-privé : l’avenir de la fusion

Les simulations de chauffage font partie d’un projet de conception connu sous le nom de réacteur tokamak sphérique avancé ou STAR. Le projet est une initiative stratégique visant à élaborer des plans pour une centrale électrique pilote. Berkery a déclaré que le projet offre aux chercheurs du PPPL l’occasion d’appliquer leur expertise en physique, en ingénierie et en travaillant avec les codes informatiques pour les simulations de fusion tout en travaillant en partenariat avec des entreprises privées sur leurs plans de centrales à fusion avec une conception de tokamak sphérique.

Vladimir Shevchenko, co-auteur de l’article et conseiller technique principal chez Tokamak Energy, a déclaré qu’il prévoyait de mener des expériences à la fin de l’année prochaine dans le réacteur de fusion de la société, le ST40, pour comparer les résultats de simulation présentés dans l’article.

« D’autres systèmes de chauffage ont de très graves problèmes », a déclaré Shevchenko. « Je vois cela comme l’avenir des systèmes de chauffage tokamak. »

Shevchenko estime que le projet bénéficie du partenariat public-privé entre PPPL et Tokamak Energy, l’une des entreprises sélectionnées pour le programme de développement de la fusion basé sur des étapes clés du DOE.

« PPPL dispose de nombreux spécialistes expérimentés dans différents domaines liés à la physique des plasmas et aux technologies tokamak. Leur contribution en termes de modélisation et de conseil est très précieuse pour une entreprise privée comme Tokamak Energy », a-t-il déclaré.