Une nouvelle découverte ouvre la voie à des centrales de fusion plus compactes pour la production d'énergie
"Il s'agit d'une découverte importante dans le domaine de la recherche sur la fusion.
Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la physique des plasmas (IPP) ont trouvé un moyen de réduire considérablement cette distance. Cela pourrait permettre de construire des réacteurs de fusion plus petits et moins chers pour la production d'énergie. Ces travaux ont été publiés dans la revue "Physical Review Letters".
Cuve à plasma de la mise à niveau ASDEX. Le canal circulaire en bas contient le divertor.
MPI für Plasmaphysik/Volker Rohde
Le réacteur expérimental international ITER, actuellement en construction dans le sud de la France, représente la méthode la plus avancée pour produire de l'énergie dans une centrale à fusion. Il est conçu selon le principe du tokamak, c'est-à-dire qu'un plasma de fusion de plus de 100 millions de degrés est confiné dans un champ magnétique en forme de beignet. Ce concept permet d'éviter que le plasma chaud n'entre en contact avec la paroi de l'enceinte et ne l'endommage. Le tokamak ASDEX Upgrade expérimenté à l'IPP de Garching, près de Munich, sert de modèle à ITER et aux centrales de fusion ultérieures. Des éléments importants pour ITER ont été développés ici. Les conditions de fonctionnement du plasma et les composants des futures centrales peuvent être testés dès aujourd'hui.
Le plasma chaud se rapproche du divertor
Le divertor est un élément central d'ASDEX Upgrade et de toutes les installations de fusion magnétique modernes. Il s'agit d'une partie de la paroi de la cuve qui est particulièrement résistante à la chaleur et qui nécessite une conception élaborée. "C'est au niveau du divertor que la chaleur du plasma arrive sur la paroi. Dans les centrales ultérieures, l'hélium 4, produit de la fusion, sera également extrait à cet endroit", explique le professeur Ulrich Stroth, chef de la division "bord et paroi du plasma" à l'IPP. "Dans cette région, la charge de la paroi est particulièrement élevée. Les tuiles de divertor d'ASDEX Upgrade et d'ITER sont donc fabriquées en tungstène, l'élément chimique dont la température de fusion est la plus élevée de toutes (3422° C).
Sans contre-mesures, 20 % de la puissance de fusion du plasma atteindrait les surfaces des divertors. Avec environ 200 mégawatts par mètre carré, les conditions seraient à peu près les mêmes qu'à la surface du soleil. Cependant, le divertor d'ITER et des futures centrales de fusion ne pourra supporter qu'un maximum de 10 mégawatts par mètre carré. C'est pourquoi de petites quantités d'impuretés (souvent de l'azote) sont ajoutées au plasma. Celles-ci extraient la majeure partie de son énergie thermique en la convertissant en lumière ultraviolette. Néanmoins, le bord du plasma (la séparatrice) doit être maintenu à une certaine distance du divertor afin de le protéger. Dans ASDEX Upgrade, cette distance était jusqu'à présent d'au moins 25 centimètres (mesurée de la pointe inférieure du plasma - le point X - aux bords du divertor).
Le radiateur à point X ouvre de nouvelles perspectives pour la conception des réacteurs de fusion
Aujourd'hui, les chercheurs de l'IPP ont réussi à réduire cette distance à moins de 5 centimètres sans endommager la paroi. "Pour ce faire, nous utilisons spécifiquement le radiateur à point X, un phénomène que nous avons découvert il y a une dizaine d'années lors d'expériences menées dans le cadre d'ASDEX Upgrade", explique le Dr Matthias Bernert, chercheur à l'IPP. "Le radiateur à point X se produit dans des cages magnétiques de forme spécifique lorsque la quantité d'azote ajoutée dépasse une certaine valeur. Cela entraîne la formation d'un petit volume dense qui rayonne particulièrement fortement dans la gamme des UV. "Ces impuretés nous donnent des propriétés de plasma un peu moins bonnes, mais si nous réglons le radiateur à point X sur une position fixe en faisant varier l'injection d'azote, nous pouvons mener les expériences à une puissance plus élevée sans endommager l'appareil/le divertor", a expliqué le Dr Bernert.
Sur les images de la caméra de l'enceinte à vide, le radiateur à point X (XPR en abrégé) est visible sous la forme d'un anneau bleu brillant dans le plasma, car il émet également de la lumière visible en plus du rayonnement UV. Les chercheurs de l'IPP ont récemment étudié de manière intensive le XPR. Cependant, le hasard a également joué un rôle dans la découverte actuelle : "Nous avons accidentellement déplacé le bord du plasma beaucoup plus près du divertor que nous ne l'avions prévu", a déclaré le Dr Tilmann Lunt, physicien à l'IPP. "Nous avons été très surpris qu'ASDEX Upgrade ait pu s'en accommoder sans problème. Comme l'effet a pu être confirmé par d'autres expériences, les chercheurs savent désormais que lorsque le radiateur du point X est présent, la quantité d'énergie thermique convertie en rayonnement UV est beaucoup plus importante que ce que l'on supposait auparavant. Le plasma rayonne alors jusqu'à 90 % de l'énergie dans toutes les directions.
Les centrales à fusion pourraient être plus compactes et moins chères
Les conclusions de cette étude pourraient être très favorables à la construction de futures centrales de fusion :
- Les divertors peuvent être construits plus petits et technologiquement beaucoup plus simples qu'auparavant (Compact Radiative Divertor).
- Le plasma se rapprochant du divertor, le volume de l'enceinte à vide peut être mieux utilisé. Les premiers calculs montrent que si la forme de l'enceinte était optimale, il serait possible de presque doubler le volume de plasma tout en conservant les mêmes dimensions. Cela permettrait également d'augmenter la puissance de fusion réalisable. Mais les chercheurs doivent d'abord le vérifier par d'autres expériences.
En outre, l'utilisation du radiateur à point X permet de lutter contre les modes localisés au bord du plasma (ELM) : de violentes éruptions d'énergie au bord du plasma qui se répètent à intervalles réguliers et expulsent environ un dixième de l'énergie du plasma vers la paroi. ITER et les futurs réacteurs de fusion seraient endommagés par de telles éruptions.
"Nous sommes en présence d'une découverte importante dans le domaine de la recherche sur la fusion", a déclaré Ulrich Stroth, directeur de la division IPP. "Le radiateur à point X nous ouvre de toutes nouvelles possibilités pour le développement d'une centrale électrique. Nous allons approfondir la théorie qui le sous-tend et essayer de mieux la comprendre grâce à de nouvelles expériences dans le cadre d'ASDEX Upgrade". Le tokamak de Garching sera bientôt idéalement équipé pour cela : D'ici l'été 2024, il sera équipé d'un nouveau divertor supérieur. Ses bobines spéciales permettront de déformer librement le champ magnétique à proximité du divertor et d'optimiser ainsi les conditions pour le radiateur à point X.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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