Avancées de la recherche sur la fusion: Nouvelles perspectives sur le flux d'ions énergétiques

Des recherches récentes menées au DIII-D National Fusion Facility ont conduit à des observations révolutionnaires d'ions énergétiques dans les plasmas de fusion, essentielles pour maintenir l'état du plasma en combustion. Cette compréhension accrue est cruciale pour le développement des centrales nucléaires à fusion et a des implications dans la compréhension des comportements du plasma dans l'espace, ce qui pourrait améliorer la fiabilité des satellites. Crédit : SciTechDaily.com

De nouvelles observations réalisées au DIII-D National Fusion Facility offrent des informations essentielles sur les ions énergétiques dans les plasmas de fusion, clés pour le développement de l'énergie de fusion et la compréhension du plasma spatial, avec des implications pour la technologie satellite.

Dans un plasma en combustion, il est essentiel de maintenir la confinement des ions énergétiques produits par fusion pour produire de l'énergie. Ces plasmas de fusion hébergent une large gamme d'ondes électromagnétiques qui peuvent repousser les ions énergétiques hors du plasma. Cela réduit le chauffage du plasma par les produits de réaction de fusion et met fin à l'état de plasma en combustion.

De récentes mesures réalisées au DIII-D National Fusion Facility ont fourni les premières observations directes d'ions énergétiques se déplaçant dans l'espace et l'énergie dans un tokamak. Les chercheurs ont combiné ces mesures avec des modèles informatiques avancés d'ondes électromagnétiques et de leur interaction avec les ions énergétiques. Les résultats fournissent une meilleure compréhension de l'interaction entre les ondes plasma et les ions énergétiques dans les plasmas de fusion.

La physique des plasmas et la recherche sur la fusion progressent des installations expérimentales vers la conception de centrales nucléaires de démonstration. Pour réussir ce passage, les chercheurs ont besoin de simulations précises et d'autres outils qui permettent de prévoir le fonctionnement des conceptions de centrales nucléaires. La plupart des installations actuelles ne produisent pas de plasmas en combustion. Cependant, les chercheurs comprennent une grande partie de la physique pertinente et développent des simulations pour reproduire les comportements expérimentaux observés.

Les recherches actuelles ont permis de nouvelles mesures de flux d'ions énergétiques dans le tokamak DIII-D. Cela accélérera le développement de modèles prenant en compte toutes les dynamiques d'interaction onde-ion pertinentes.

Cette meilleure compréhension permet également l'application de l'ingénierie de l'espace des phases. Les chercheurs peuvent utiliser ce processus pour concevoir de nouveaux scénarios de plasma de fusion basés sur des interactions idéales prédites entre les ondes et les ions. Ces interactions peuvent également affecter les satellites, donc cette recherche peut contribuer à améliorer leur fiabilité.

Mesures (gauche) et simulation (droite) du flux d'ions énergétiques dans les plasmas DIII-D. À partir des énergies injectées de faisceaux neutres, les ions injectés se déplacent dans l'espace et l'énergie en raison des interactions avec les ondes électromagnétiques. Crédit : X.D. Du, General Atomics>

Les chercheurs du DIII-D National Fusion Facility, une installation utilisateur du département de l'énergie, ont utilisé les premières mesures d'un nouveau système de diagnostic, l'analyseur de particules neutres d'imagerie (INPA), pour observer le flux d'ions énergétiques dans un tokamak. Un effort pluriannuel de conceptualisation, de conception et de construction de l'INPA a permis d'obtenir la première capacité jamais mise en place pour observer ce comportement.

Après avoir été injectés dans le tokamak par des faisceaux neutres, les ions énergétiques interagissent avec les ondes plasma électromagnétiques et se déplacent en énergie et en position à travers le tokamak. Les simulations reproduisent le comportement observé, démontrant ainsi l'exactitude des modèles du premier principe décrivant la physique sous-jacente. Une meilleure compréhension de ces interactions onde-particule est pertinente pour la conception de centrales nucléaires de fusion et pour comprendre le comportement des plasmas observés dans l'espace extra-atmosphérique.

L'INPA mesure l'énergie des ions énergétiques injectés par faisceau neutre, qui ont une énergie supérieure à celle du plasma environnant, en fonction du temps et de la position spatiale, du cœur du plasma chaud à la bordure du plasma froid, où les ions peuvent être perdus. Couplées à des simulations informatiques de pointe qui modélisent à la fois le spectre des ondes électromagnétiques et les interactions avec les ions énergétiques, ces expériences fournissent la compréhension la plus détaillée de l'interaction entre les ondes plasma et les ions énergétiques dans les plasmas de fusion.

Cette meilleure compréhension permet également aux chercheurs d'appliquer l'ingénierie de l'espace des phases, un processus dans lequel ils conçoivent de nouveaux scénarios de plasma de fusion sur la base d'interactions idéales prédites entre les ondes et les ions. Ces types d'interactions se produisent dans l'espace extra-atmosphérique. Par exemple, les ondes cyclotroniques ioniques électromagnétiques (EMIC) entraînent le flux d'électrons dans l'espace et l'énergie.

Dans certains cas, les électrons ont été accélérés de manière à provoquer des dysfonctionnements dans les satellites. Une meilleure compréhension des processus d'interaction résonante onde-particule via la recherche sur les plasmas de fusion contribue aux simulations du plasma spatial, ce qui pourrait améliorer la fiabilité des futures missions satellitaires.