L’extinction de la chaleur intense d’un plasma de fusion peut nécessiter un évaporateur de métal liquide bien placé

À l’intérieur de la prochaine génération de réacteurs à fusion, appelés tokamaks sphériques, les scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l’énergie ont imaginé une région chaude dans laquelle coule du métal liquide, rappelant une grotte souterraine. Les chercheurs affirment que l’évaporation du métal liquide pourrait protéger l’intérieur du tokamak de la chaleur intense du plasma. Cette idée remonte à plusieurs décennies et est liée à l’un des points forts du laboratoire : travailler avec des métaux liquides.

« L’expertise de PPPL dans l’utilisation de métaux liquides, en particulier de lithium liquide, pour améliorer les performances de fusion contribue à affiner les idées sur la meilleure façon de les déployer à l’intérieur d’un tokamak », a déclaré Rajesh Maingi, responsable de la science expérimentale des tokamas de PPPL et co-auteur d’un nouvel article dans Fusion nucléaire détaillant la grotte de vapeur de lithium.

Récemment, des chercheurs ont effectué des simulations informatiques pour trouver le meilleur emplacement pour une « caverne » de vapeur de lithium à l’intérieur du réacteur de fusion. Pour parvenir à une fusion commerciale, chaque partie du tokamak en forme de beignet doit être placée avec précision. L’idée derrière une caverne de vapeur de lithium est de maintenir le lithium dans la couche limite à l’écart du plasma chaud en fusion du cœur, mais à proximité de l’excès de chaleur.

Un évaporateur, une surface chauffée pour faire bouillir les atomes de lithium, déplace les particules de vapeur de lithium sur la trajectoire idéale vers l’endroit où la majeure partie de l’excès de chaleur a tendance à s’accumuler. Les scientifiques ont envisagé trois possibilités en termes d’emplacement de la grotte. La grotte de vapeur de lithium pourrait être située au bas du tokamak près de la pile centrale, dans une zone connue sous le nom de région de flux privé ; elle pourrait être sur le bord extérieur, qui est connu sous le nom de région de flux commun ; ou la vapeur de lithium pourrait provenir des deux régions.

Les résultats de plusieurs simulations informatiques ont permis de déterminer que le meilleur emplacement pour la grotte de vapeur de lithium se trouve près du bas du tokamak, près de la pile centrale. Les nouvelles simulations apportent des informations supplémentaires : elles sont les premières à prendre en compte les collisions entre particules neutres, qui n’ont ni charge nette positive ni charge négative.

« L’évaporateur au lithium ne fonctionne pas vraiment s’il n’est pas placé dans la zone de flux privé », a déclaré Eric Emdee, physicien de recherche associé au PPPL et auteur principal du nouveau document. Lorsque le lithium s’évapore dans la zone de flux privé, les particules deviennent des ions chargés positivement dans une région avec beaucoup d’excès de chaleur, protégeant les parois voisines. Une fois les particules de lithium ionisées, elles obéissent aux mêmes champs magnétiques que le plasma, répandant et dissipant la chaleur de sorte qu’elle frappe une plus grande zone du tokamak et réduisant le risque de fusion des composants.

La région de flux privé est également la cible idéale pour le lithium évaporé car elle est séparée du plasma central, qui doit rester chaud. « Vous ne voulez pas que votre plasma central soit sali par le lithium et refroidisse, mais vous voulez également que le lithium atténue un peu la chaleur avant de quitter la grotte », a-t-il déclaré.

Tenir le lithium : boîte contre caverne

Les chercheurs pensaient au départ que le lithium serait mieux logé dans une « boîte métallique » avec une ouverture sur le dessus. Le plasma s’écoulerait dans l’espace, ce qui permettrait au lithium de dissiper la chaleur du plasma avant d’atteindre les parois métalliques. Aujourd’hui, les chercheurs affirment qu’une grotte – géométriquement juste la moitié intérieure d’une boîte – remplie de vapeur de lithium serait plus simple qu’une boîte. La différence n’est pas seulement sémantique : elle a un impact sur la direction du lithium et sur l’efficacité avec laquelle il dissipe la chaleur.

« Pendant des années, nous avons pensé qu’il nous fallait une boîte pleine à quatre côtés, mais nous savons maintenant que nous pouvons fabriquer quelque chose de beaucoup plus simple », a déclaré Emdee. Les données de nouvelles simulations les ont orientés dans une direction différente lorsque l’équipe de recherche a réalisé qu’elle pouvait contenir le lithium tout aussi bien en coupant sa boîte en deux. « Maintenant, nous l’appelons la grotte », a déclaré Emdee.

Dans la configuration de la grotte, le dispositif aurait des parois en haut, en bas et sur le côté le plus proche du centre du tokamak. Cela optimise le chemin d’évaporation du lithium, le mettant sur une meilleure trajectoire pour capturer le plus de chaleur de la région de flux privé tout en minimisant la complexité du dispositif.

Envisager un système poreux capillaire pour aspirer le lithium

Une autre approche proposée par les scientifiques du PPPL dans le nouveau document pourrait permettre d’obtenir le même effet d’extinction thermique sans modifier radicalement la forme des parois du tokamak. Dans cette approche, le lithium liquide s’écoule rapidement sous une paroi poreuse faisant face au plasma. Cette paroi serait située là où l’excès de chaleur impacte le plus le tokamak : au niveau du divertor.

La paroi poreuse permet au lithium de pénétrer la surface directement en face du chauffage du plasma, de sorte que le lithium liquide est délivré exactement là où il est le plus nécessaire : dans la zone où l’intensité thermique est la plus élevée. Ce système poreux capillaire est expliqué dans un article précédent publié dans la revue Physique des plasmas.

L’auteur principal de l’étude, Andrei Khodak, analyste principal en ingénierie du PPPL, a déclaré qu’il préférait l’idée d’utiliser une paroi poreuse faisant face au plasma seule, sous forme de tuiles intégrées dans le tokamak. « L’avantage de la paroi poreuse faisant face au plasma est que vous n’avez pas besoin de modifier la forme de la cuve de confinement. Vous pouvez simplement changer la tuile », a déclaré Khodak. Khodak était également co-auteur de la nouvelle étude, avec l’ancien directeur du laboratoire Robert Goldston.

L’évaporation du lithium sur la surface du divertor conduit à un fort couplage entre le bord du plasma et le composant faisant face au plasma en termes de transfert de chaleur et de masse, car le chauffage du plasma entraînera une évaporation du lithium, qui, à son tour, modifiera le flux de chaleur du plasma vers le composant faisant face au plasma au lithium liquide. Un nouveau modèle, décrit dans un article des mêmes auteurs dans Transactions de l’IEEE sur la science du plasmaexplique ce fort couplage bidirectionnel. Les scientifiques et ingénieurs du PPPL continueront de tester et de développer leurs idées dans le cadre de leur mission principale qui consiste à faire de la fusion un élément important du réseau électrique.