Le département de physique des plasmas et d'ingénierie de la fusion de l'Université des sciences et technologies de Chine propose une nouvelle configuration de champ magnétique tridimensionnel pour stellarator

Le stellarator utilise un champ magnétique tridimensionnel généré par des bobines externes pour confiner le plasma à haute température, permettant un fonctionnement en régime stationnaire sans dépendre du courant plasma et évitant les instabilités telles que les disruptions. Il est devenu la voie technologique connaissant la croissance la plus rapide au monde. Cependant, si le champ magnétique tridimensionnel n'est pas soigneusement optimisé, les particules piégées peuvent subir une dérive radiale significative, entraînant une augmentation considérable des pertes de transport néoclassique. Pour supprimer cette dérive, le champ magnétique doit satisfaire la condition d'« omnigénéité » (omnigenity), c'est-à-dire que la dérive radiale moyenne temporelle de toutes les orbites de particules piégées doit être nulle.

La classe de champs magnétiques omnigènes la plus largement appliquée est l'omnigénéité poloïdale (poloidal omnigenity, PO), également appelée configuration quasi-isodynamique (quasi-isodynamic, QI), qui présente l'avantage d'un courant de bootstrap nul à faible fréquence de collision. Elle constitue le fondement théorique du plus grand stellarator en fonctionnement au monde, Wendelstein 7-X (W7-X), ainsi que de la plupart des concepts de réacteurs de fusion. Cependant, la PO exige que les lignes de contour du champ magnétique se ferment strictement dans la direction poloïdale, ce qui entre en contradiction naturelle avec la géométrie toroïdale du stellarator, conduisant souvent à un rapport miroir excessivement élevé du côté du champ fort ou à un allongement excessif de la section transversale, à une complexité accrue de conception des bobines et à une mauvaise économie du rapport d'aspect, imposant de multiples compromis dans la conception des réacteurs de fusion.

L'équipe de recherche avancée sur les stellarators de l'Université des sciences et technologies de Chine a proposé de manière innovante le cadre unifié de cartographie OOPS (arXiv:2502.09350), intégrant pour la première fois plusieurs classes de configurations à symétrie cachée telles que la quasi-symétrie et l'omnigénéité dans une même description mathématique, et a développé la technique de cartographie « squeeze » : tout en maintenant une omnigénéité poloïdale (PO) stricte du côté du champ faible, elle permet une fermeture locale des lignes de contour du champ magnétique du côté du champ fort, créant ainsi une nouvelle configuration à omnigénéité approximativement par morceaux (pwO). Cette nouvelle configuration de champ magnétique tridimensionnel (PO-pwO) élargit l'espace de conception sans sacrifier les performances de confinement.

Figure 1 : Distribution de l'intensité du champ magnétique pour les configurations d'omnigénéité poloïdale (PO), d'omnigénéité par morceaux (pwO) et d'omnigénéité hybride (PO-pwO).

L'équipe de recherche a optimisé une série de conceptions de configurations PO-pwO présentant d'excellentes performances de confinement. La figure 2 présente 9 configurations PO-pwO avec des nombres de périodes de champ magnétique de 2 à 5 et des rapports d'aspect de 4 à 10. Les propriétés de transport néoclassique de ces nouvelles configurations sont supérieures à celles de W7-X ; aux dimensions typiques d'un réacteur de fusion, le taux de perte des particules α est inférieur à 4 % (le taux de perte de W7-X est d'environ 20 %). Ces conceptions PO-pwO permettent de réduire les exigences strictes sur le rapport miroir et le rapport d'aspect tout en garantissant les performances physiques, offrant ainsi de nouvelles options pour la conception de réacteurs de fusion à stellarator.

Figure 2 : 9 configurations optimisées PO-pwO avec différents nombres de périodes de champ magnétique et rapports d'aspect ; la couleur représente la distribution de l'intensité du champ magnétique.

L'importance de ce travail ne se limite pas à l'obtention d'une série de nouvelles configurations de stellarator aux performances supérieures. En tant que cadre d'optimisation permettant de décrire de manière unifiée et de concevoir activement des symétries cachées, la méthode OOPS fournit un nouveau langage théorique et des outils de calcul pour l'exploration des configurations de stellarator. En établissant activement des liens entre la quasi-symétrie, l'omnigénéité et l'omnigénéité par morceaux, elle élargit l'espace de conception réalisable des stellarators à hautes performances. À l'avenir, cette méthode pourrait être utilisée pour construire des bases de données à grande échelle de configurations de stellarator à hautes performances, au service de l'optimisation assistée par intelligence artificielle, de la conception des bobines et de la recherche sur les concepts de réacteurs de fusion, fournissant ainsi un outil original pour le développement de réacteurs de fusion à stellarator alliant avancée physique et faisabilité technique.

Cette recherche, intitulée « Optimization of stellarator configurations combining omnigenity and piecewise omnigenity », a été publiée dans la revue de renom dans le domaine de la fusion nucléaire, *Nuclear Fusion*. Le premier auteur de l'article est Liu Hengqian, doctorant à l'USTC, le correspondant est le professeur spécial Zhu Caoxiang, et les co-auteurs incluent le professeur associé Wei Guodong et le chercheur José Luis Velasco de l'institut CIEMAT en Espagne. Cette recherche a été financée conjointement par le projet pilote stratégique de l'Académie chinoise des sciences, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le ministère espagnol de la Science, de l'Innovation et des Universités.

FINPrésentation du département de physique des plasmas et d'ingénierie de la fusion : Depuis sa création en 2020, le département de physique des plasmas et d'ingénierie de la fusion de l'Université des sciences et technologies de Chine (numéro interne 52) est devenu la première institution de niveau départemental en Chine dédiée à l'enseignement et à la recherche en physique des plasmas et ingénierie de la fusion, succédant au groupe d'enseignement et de recherche en physique des plasmas fondé en 1974. Actuellement, le département 52 propose deux spécialités de premier cycle : physique appliquée et physique de l'ingénieur, et recrute des étudiants de troisième cycle dans trois spécialités : physique (physique des plasmas), sciences et technologies nucléaires (ingénierie de l'énergie nucléaire) et énergie et puissance.