De nouvelles découvertes sur la transmission de l’électricité pourraient améliorer les dispositifs de fusion

Newswise – Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) ont découvert que la mise à jour d’un modèle mathématique pour inclure une propriété physique connue sous le nom de résistance peut améliorer la conception des installations de fusion en forme de beignet connues sous le nom de Tocamex.

« La résistance est une propriété de tout matériau qui empêche le flux d’électricité », a déclaré le physicien du PPPL Nathaniel Ferraro, l’un des chercheurs collaborateurs. « C’est un peu comme la viscosité d’un liquide, qui empêche les choses de passer. Par exemple, une pierre se déplacera dans la mélasse plus lentement que l’eau, et plus lentement dans l’eau que dans l’air. »

Les scientifiques ont découvert une nouvelle façon dont la résistance peut provoquer une instabilité au bord du plasma, où les températures et les pressions augmentent fortement. En incorporant la résistance dans les modèles qui prédisent le comportement plasmaSoupe d’électrons et d’atomes cœur qui représentent 99 % de l’univers visible, les scientifiques peuvent concevoir des systèmes pour les futures installations de fusion qui rendraient les plasmas plus stables.

Andreas Kleiner, un physicien PPPL qui était l’auteur principal de la papier Communication des résultats de la fusion nucléaire. « Fondamentalement, dans cette recherche, nous avons vu que la résistance est importante et devrait être incluse dans nos modèles », a déclaré Kleiner.

la fusionla force qui déplace le soleil et les étoiles, et combine les éléments de la lumière sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et atomiques cœur – Il génère d’énormes quantités d’énergie. Les scientifiques cherchent à exploiter la fusion sur Terre pour fournir une source d’énergie presque inépuisable pour la production d’électricité.

Les scientifiques veulent que le plasma soit stable car l’instabilité peut conduire à des éclats de plasma connus sous le nom de modes de bord localisés (ELM) qui peuvent endommager les composants internes de l’appareil. tokamak Au fil du temps, ces composants doivent être remplacés fréquemment. Les futurs réacteurs à fusion devront fonctionner sans arrêt pour des réparations pendant des mois d’affilée.

« Nous devons être sûrs que le plasma de ces futures installations sera stable sans avoir à construire de prototypes à grande échelle, ce qui est à la fois coûteux et chronophage », a déclaré Ferraro. « Dans le cas des modes de réglage des bords et de certains autres phénomènes, l’incapacité à stabiliser le plasma peut endommager ou réduire la durée de vie des composants de ces installations, il est donc très important de le corriger. »

Les physiciens utilisent un modèle informatique appelé EPED pour prédire le comportement du plasma dans les tokamaks conventionnels, mais les prédictions produites par le code pour une variété de machines à plasma appelées tokamaks sphériques ne sont pas toujours exactes. Les physiciens étudient les tokamaks, qui sont des installations aussi compactes que le globe national tokamak Experimental-Upgrade (NSTX-U) en PPPL ressemblant à une pomme creuse, comme conception potentielle d’une usine pilote de fusion.

À l’aide d’ordinateurs puissants au National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du Department of Energy’s Office of Science du Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie, Kleiner et l’équipe ont tenté d’ajouter de la résistance au modèle plasma et ont constaté que les prédictions ont commencé à correspondre aux observations.

Rajesh Minji, président de PPPL, a déclaré : « Andreas a examiné les données de plusieurs décharges de plasma précédentes et a constaté que les effets résistifs sont très importants. tokamak Département des sciences expérimentales. « Les expériences ont montré que ces effets étaient très probablement à l’origine des ELM que nous voyions. Le modèle amélioré pourrait nous montrer comment modifier les profils plasmatiques dans les futures installations pour éliminer les ELM. »

L’utilisation de ces types de modèles informatiques est une procédure standard qui permet aux physiciens de prédire ce que les plasmas feront dans les futures machines de fusion et de concevoir ces machines pour que les plasmas se comportent d’une manière qui rend la fusion plus probable. « Essentiellement, le modèle est un ensemble d’équations mathématiques qui décrivent le comportement d’un plasma », a déclaré Ferraro.

Tous les modèles contiennent des hypothèses. Certains modèles, comme ceux utilisés dans cette recherche, décrivent le plasma comme un liquide. En général, vous ne pouvez pas avoir un modèle qui inclut toute la physique. Ce sera très difficile à résoudre. Vous voulez un modèle suffisamment simple à calculer mais suffisamment complet pour capturer le phénomène qui vous intéresse. Andreas a découvert que la résistance est l’une des influences physiques que nous devrions inclure dans nos modèles.  »

Cette recherche s’appuie sur le passé les comptes Mené par Kleiner et al. Il ajoute à ces résultats en analysant d’autres décharges produites par NSTX, le dispositif précédant NSTX-U, et en étudiant des scénarios où les ELM ne se produisent pas. La recherche a également aidé les scientifiques à déterminer que l’instabilité causée par la résistance est causée par le courant plasma, et non par la pression.

Les recherches futures viseront à déterminer pourquoi la résistance produit ces types d’instabilité dans les tokamaks sphériques. « Nous ne savons pas encore quelle propriété provoque l’apparition de motifs de résistance au bord du plasma. Cela peut être le résultat de la géométrie du tore sphérique, du lithium recouvrant l’intérieur de certaines installations ou de la forme allongée du plasma », a déclaré Kleiner. . simulation. »

Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences de l’énergie de fusion du Département de l’énergie. Les institutions collaboratrices comprennent l’Instituto Física de l’Université de São Paulo, au Brésil.

PPPL, au campus Forrestal de l’Université de Princeton à Plainsboro, New Jersey, se consacre à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas – des gaz extrêmement chauds et chargés – et au développement de solutions pratiques pour créer de l’énergie de fusion. Le laboratoire est géré par l’université pour le bureau des sciences du département américain de l’énergie, qui est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez https://energy.gov/science