Le raccourci dans la conception des «bouteilles magnétiques» offre une réponse à un défi de fusion complexe de 70 ans

L’énergie propre et à faible coût et à faible coût – le résultat envisagé si les scientifiques et les ingénieurs peuvent produire avec succès une méthode fiable de génération et de maintien de l’énergie de fusion – se sont rapprochées de la réalité, en tant qu’équipe de chercheurs de l’Université du Texas à Austin, Los Alamos National Laboratory and Type One Energy Group a résolu un problème de longue date sur le terrain.

L’un des grands défis retenant l’énergie de fusion a été la capacité de contenir des particules à haute énergie à l’intérieur des réacteurs de fusion. Lorsque des particules alpha à haute énergie fuient d’un réacteur, cela empêche le plasma de devenir assez chaud et dense pour soutenir la réaction de fusion. Pour les empêcher de fuir, les ingénieurs conçoivent des systèmes de confinement magnétique élaboré, mais il y a souvent des trous dans le champ magnétique, et une énorme quantité de temps de calcul est nécessaire pour prédire leurs emplacements et les éliminer.

Dans leur article publié dans Lettres d’examen physiquel’équipe de recherche décrit avoir découvert un raccourci qui peut aider les ingénieurs à concevoir des systèmes de confinement magnétique à l’épreuve des fuites 10 fois plus rapidement que la méthode de l’étalon-or, sans sacrifier la précision. Bien que plusieurs autres grands défis restent pour toutes les conceptions de fusion magnétiques, cette avancée relève le plus grand défi spécifique à un type de réacteur de fusion proposé pour la première fois dans les années 1950, appelé stellarator.

“Ce qui est le plus excitant, c’est que nous résolvons quelque chose qui a été un problème ouvert depuis près de 70 ans”, a déclaré Josh Burby, professeur adjoint de physique à l’UT et premier auteur du journal. “C’est un changement de paradigme dans la façon dont nous concevons ces réacteurs.”

Un stellaire utilise des bobines externes portant des courants électriques qui génèrent des champs magnétiques pour limiter un plasma et des particules à haute énergie. Ce système de confinement est souvent décrit comme une «bouteille magnétique».

Il existe un moyen d’identifier où les trous se trouvent dans la bouteille magnétique en utilisant les lois du mouvement de Newton, ce qui est très précis mais prend une énorme quantité de temps de calcul. Pire encore, pour concevoir un stellarator, les scientifiques pourraient avoir besoin de simuler des centaines ou des milliers de conceptions légèrement différentes, peaufinant la disposition des bobines magnétiques et itérant pour éliminer les trous – un processus qui nécessiterait une quantité prohibitive de calcul en plus.

Ainsi, pour économiser du temps et de l’argent, les scientifiques et les ingénieurs utilisent régulièrement une méthode plus simple pour approximer où se trouvent les trous, en utilisant une approche appelée théorie de la perturbation. Mais cette méthode est beaucoup moins précise, ce qui a ralenti le développement de stellaires. La nouvelle méthode repose sur la théorie de la symétrie, une manière différente de comprendre le système.

“Il n’y a actuellement aucun moyen pratique de trouver une réponse théorique à la question de confinement alpha-particule sans nos résultats”, a déclaré Burby. “L’application directe des lois de Newton est trop coûteuse. Les méthodes de perturbation commettent des erreurs grossières. La nôtre est la première théorie qui contourne ces pièges.”

Cette nouvelle méthode peut également aider à un problème similaire mais différent dans une autre conception de réacteur à fusion magnétique populaire appelé tokamak. Dans cette conception, il y a un problème avec les électrons en fuite – des électrons haute énergie qui peuvent percer un trou dans les murs environnants. Cette nouvelle méthode peut aider à identifier les trous dans le champ magnétique où ces électrons pourraient fuir.

Les co-auteurs de Burby de l’UT sont le chercheur postdoctoral Max Ruth et l’étudiant diplômé Ivan Maldonado. D’autres auteurs sont Dan Messenger, boursier postdoctoral de Los Alamos, et Leopoldo Carbajal, scientifique informatique et scientifique des données chez Type One Energy Group, une entreprise qui prévoit de construire des stellaires pour la production d’électricité.