Un impediment majeur Ă  la output d’Ă©nergie de fusion sĂ»re, propre et abondante sur Terre est le manque de comprĂ©hension dĂ©taillĂ©e du comportement du gaz plasma chaud et chargĂ© qui alimente les rĂ©actions de fusion au bord des installations de fusion appelĂ©es « tokamaks ». Des percĂ©es rĂ©centes rĂ©alisĂ©es par des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du DĂ©partement amĂ©ricain de l’Ă©nergie (DOE) ont permis de mieux comprendre le comportement du bord de plasma trĂšs complexe des tokamaks en forme de beignet sur la route de la capture de l’Ă©nergie de fusion qui alimente le soleil et Ă©toiles. La comprĂ©hension de cette rĂ©gion pĂ©riphĂ©rique sera particuliĂšrement importante pour l’exploitation d’ITER, l’expĂ©rience internationale de fusion en cours de development en France pour dĂ©montrer le caractĂšre pratique de l’Ă©nergie de fusion.

Une découverte inédite

La découverte du bord du plasma de fusion pourrait aider à réaliser la puissance de fusion

L’une des premiĂšres dĂ©couvertes a Ă©tĂ© la dĂ©couverte que la prise en compte des fluctuations turbulentes des champs magnĂ©tiques qui confinent le plasma qui alimente les rĂ©actions de fusion peut rĂ©duire considĂ©rablement le flux de particules turbulentes prĂšs du bord du plasma. Les simulations informatiques montrent que le flux internet de particules peut descendre jusqu’Ă  30%, malgrĂ© le fait que l’amplitude moyenne de la fluctuation de la densitĂ© des particules turbulentes augmente de 60% – ce qui indique que mĂȘme si les fluctuations de la densitĂ© turbulente sont additionally virulentes, elles dĂ©placent moins efficacement les particules hors de l’appareil.

Les chercheurs ont dĂ©veloppĂ© un code spĂ©cialisĂ© appelĂ© « Gkeyll » – prononcĂ© comme « Jekyll » dans « The Peculiar Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde » de Robert Louis Stevenson – qui rend ces simulations rĂ©alisables. Le code mathĂ©matique, une forme de modĂ©lisation appelĂ©e «gyrocinĂ©tique», simule l’orbite des particules de plasma autour des lignes de champ magnĂ©tique au bord d’un plasma de fusion.

« Notre rĂ©cent posting rĂ©sume les efforts du groupe Gkeyll dans le domaine de la simulation gyrocinĂ©tique », a dĂ©clarĂ© le physicien PPPL Ammar Hakim, auteur principal d’un post sur la physique des plasmas (lien externe) qui donne un aperçu des rĂ©alisations du groupe, sur la base d’un discours invitĂ©. il a donnĂ© lors de la confĂ©rence de la Division de physique des plasmas de l’American Physical Society (APS-DPP) l’automne dernier. La recherche, co-Ă©crite par des scientifiques de 6 establishments, adapte un algorithme de pointe au systĂšme gyrocinĂ©tique pour dĂ©velopper les « percĂ©es numĂ©riques clĂ©s nĂ©cessaires pour fournir des simulations prĂ©cises », a dĂ©clarĂ© Hakim.

Effort and hard work mondial

De telles percĂ©es font partie de l’effort mondial pour saisir la science derriĂšre la creation de rĂ©actions de fusion sur Terre. Les rĂ©actions de fusion combinent des Ă©lĂ©ments lĂ©gers sous forme de plasma – l’Ă©tat de matiĂšre chaude et chargĂ©e composĂ© d’Ă©lectrons libres et de noyaux atomiques qui constituent 99% de l’univers seen – pour gĂ©nĂ©rer d’Ă©normes quantitĂ©s d’Ă©nergie qui pourraient fournir un approvisionnement pratiquement inĂ©puisable d’Ă©nergie pour produire de l’Ă©lectricitĂ© pour l’humanitĂ©.

Noah Mandell, un Ă©tudiant diplĂŽmĂ© du programme de physique des plasmas de l’UniversitĂ© de Princeton, s’est appuyĂ© sur les travaux de l’Ă©quipe pour dĂ©velopper le premier code gyrocinĂ©tique capable de gĂ©rer les fluctuations magnĂ©tiques dans ce qu’on appelle la couche de grattage au plasma (SOL) au bord des plasmas de tokamak. . Le British Journal of Plasma Physics a publiĂ© et mis en Ă©vidence son rapport comme un short article vedette.

Mandell check out comment la turbulence du plasma semblable à une goutte plie les lignes de champ magnétique, conduisant à la dynamique des «lignes de champ dansantes». Il constate que les lignes de champ se déplacent généralement en douceur, mais que la danse peut se reconfigurer brusquement en événements de reconnexion qui les font converger et se séparer violemment.

Les dĂ©couvertes de Mandell sont mieux dĂ©crites comme une « preuve de strategy » en ce qui concerne les fluctuations magnĂ©tiques, a-t-il dit. « Nous savons qu’il y a moreover d’effets physiques qui doivent ĂȘtre ajoutĂ©s au code pour des comparaisons dĂ©taillĂ©es avec des expĂ©riences, mais dĂ©jĂ  les simulations montrent des propriĂ©tĂ©s intĂ©ressantes prĂšs du bord du plasma », a-t-il dĂ©clarĂ©. « La capacitĂ© Ă  gĂ©rer la flexion des lignes de champ magnĂ©tique sera Ă©galement essentielle pour les futures simulations de modes localisĂ©s aux bords (ELM), que nous aimerions mieux comprendre les explosions de chaleur qu’elles provoquent et qui doivent ĂȘtre contrĂŽlĂ©es pour Ă©viter les dommages au tokamak. »  »

TrĂšs difficile

Ce qui rend cette dĂ©couverte exclusive, c’est que les codes gyrocinĂ©tiques prĂ©cĂ©dents ont simulĂ© des taches SOL mais ont supposĂ© que les lignes de champ Ă©taient rigides, a notĂ© Mandell. L’extension d’un code gyrocinĂ©tique pour calculer le mouvement des lignes de champs magnĂ©tiques est trĂšs difficile Ă  calculer, nĂ©cessitant des algorithmes spĂ©ciaux pour garantir que deux termes importants s’Ă©quilibrent avec une prĂ©cision meilleure que 1 partie sur un million.

De in addition, alors que les codes qui modĂ©lisent la turbulence dans le cƓur du tokamak peuvent inclure des fluctuations magnĂ©tiques, ces codes ne peuvent pas simuler la rĂ©gion SOL. « Le SOL nĂ©cessite des codes spĂ©cialisĂ©s comme Gkeyll qui peuvent gĂ©rer des fluctuations de plasma et des interactions beaucoup moreover importantes avec les parois du rĂ©acteur », a dĂ©clarĂ© Mandell.

Les prochaines Ă©tapes pour le groupe Gkeyll comprendront l’Ă©tude du mĂ©canisme physique prĂ©cis qui affecte la dynamique du bord du plasma, un effet probablement liĂ© aux lignes de champ de flexion. « Ce travail fournit des tremplins qui, je pense, sont trĂšs importants », a dĂ©clarĂ© Hakim. « Sans les algorithmes que nous avons crĂ©Ă©s, ces rĂ©sultats seraient trĂšs difficiles Ă  appliquer Ă  ITER et Ă  d’autres machines. »

Le soutien de ce travail provient du DOE Workplace of Science, du DOE Computational Science Graduate Fellowship et du Partenariat pour la découverte scientifique à turbulence gyrocinétique à plusieurs échelles par le biais du projet SciDAC (Innovative Computing). Les calculs ont été effectués sur le cluster Eddy à PPPL.

PPPL, sur le campus Forrestal de l’UniversitĂ© de Princeton Ă  Plainsboro, dans le New Jersey, se consacre Ă  la crĂ©ation de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas – gaz chargĂ©s extremely-chauds – et au dĂ©veloppement de methods pratiques pour la crĂ©ation d’Ă©nergie de fusion.