Le laboratoire de physique des plasmas de Princeton validera la voie de la fusion par tokamak sphérique avec NSTX-U

Le laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) fait progresser les recherches liées au dispositif national de mise à niveau de l'expérience du tore sphérique (NSTX-U), avec pour objectif d'utiliser ce plus grand tokamak sphérique des États-Unis afin d'évaluer le potentiel d'application des structures compactes de tokamak dans les futures centrales à fusion. Ce dispositif est conçu pour devenir l'un des tokamaks sphériques les plus puissants au monde et servira à étudier des questions clés telles que le confinement des plasmas à haute température, le transport de la chaleur, les propriétés des matériaux et le contrôle en temps réel.

L'image ci-dessus montre la chambre à vide et la colonne magnétique centrale du NSTX-U du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL). Ce dispositif aidera les scientifiques à déterminer la forme optimale des futures centrales à fusion. (Source de l'image : Michael Livingston/Service de communication du PPPL)

Le tokamak est un dispositif expérimental de fusion qui utilise des champs magnétiques pour confiner le plasma. Par rapport aux tokamaks traditionnels en forme de « beignet », le tokamak sphérique se rapproche davantage d'une forme de « pomme évidée », avec un orifice central plus étroit et une structure globale plus compacte. Les chercheurs estiment que cette géométrie permet d'atteindre une pression de plasma plus élevée avec une intensité de champ magnétique relativement faible, améliorant ainsi l'efficacité d'utilisation du champ magnétique.

Dans la recherche sur la fusion, le rapport entre la pression du plasma et la pression du champ magnétique est appelé valeur β. Une valeur β plus élevée signifie que le dispositif peut maintenir une pression de plasma plus élevée avec une intensité de champ magnétique plus faible, or les systèmes à champ magnétique intense comptent généralement parmi les composants les plus coûteux et les plus difficiles sur le plan technique des dispositifs de fusion. Par conséquent, la capacité du tokamak sphérique à maintenir des performances élevées dans des conditions proches de celles d'un réacteur constitue une question importante pour l'évaluation des futures conceptions de centrales à fusion.

Selon le PPPL, la colonne magnétique centrale du NSTX-U utilisera un courant maximal d'environ 4 millions d'ampères pour générer un champ magnétique de 1 tesla. À titre de comparaison, le courant d'un éclair typique est d'environ 30 000 ampères, et une intensité de champ magnétique de 1 tesla est environ 20 000 fois supérieure au champ magnétique à la surface de la Terre. Le dispositif sera également équipé de systèmes de mesure avancés pour obtenir des paramètres clés tels que la température et la densité du plasma, et il est prévu d'introduire des systèmes d'intelligence artificielle pour améliorer les capacités d'analyse et de contrôle en temps réel.

Les chercheurs utiliseront le NSTX-U pour observer les performances de stockage d'énergie et de confinement de la chaleur du tokamak sphérique dans des conditions de puissance élevée. Le PPPL a indiqué qu'une fois le dispositif opérationnel, l'accent sera mis sur la vérification de savoir si le temps de confinement du plasma continuera de s'améliorer à mesure que les conditions de fonctionnement se rapprochent des exigences d'un réacteur. Le temps de confinement, la température du plasma et la densité constituent ensemble ce que l'on appelle couramment le « triple produit » dans la recherche sur la fusion, un indicateur important pour mesurer les performances de fusion.

Les avantages du tokamak sphérique incluent également sa taille réduite. Jack Berkery, directeur adjoint de la recherche sur le NSTX-U, a indiqué que par rapport aux tokamaks traditionnels de plus grand diamètre, le tokamak sphérique pourrait théoriquement réduire la quantité de matériaux tels que l'acier, le béton et le cuivre, diminuant ainsi les coûts de construction.

De plus, la structure du champ magnétique du tokamak sphérique contribue à stabiliser le plasma. Stefan Gerhardt, physicien de recherche principal au PPPL, explique que la configuration des lignes de champ magnétique dans le dispositif aide à supprimer les instabilités à grande échelle susceptibles de provoquer des pertes d'énergie, permettant au plasma de conserver davantage de chaleur et de maintenir une pression plus élevée.

La turbulence à petite échelle est également un facteur important affectant les performances de fusion. Les chercheurs estiment que le plasma dans un tokamak sphérique tourne plus facilement à grande vitesse sous l'effet du chauffage par faisceau de neutres, et les différences de vitesse entre les différentes régions peuvent créer un effet de cisaillement, affaiblissant les structures perturbatrices et réduisant les fuites de particules et de chaleur. Steven Cowley, directeur du PPPL, a indiqué que la taille plus réduite du plasma dans un tokamak sphérique favorise une rotation et un cisaillement plus efficaces.

Le NSTX-U servira également d'installation utilisateur internationale, offrant une plateforme de test aux institutions de recherche publiques, aux organismes privés et aux entreprises pour valider les performances de nouveaux matériaux et composants dans l'environnement plasma, ainsi que pour développer des outils de contrôle par intelligence artificielle destinés au fonctionnement des dispositifs de fusion. L'équipe de recherche espère utiliser ce dispositif pour clarifier davantage le rapport d'aspect optimal du tokamak sphérique, fournissant ainsi une base expérimentale pour la conception des futures centrales à fusion compactes.