Une nouvelle loi fondamentale qui débloque les limites de l’énergie de fusion

Des physiciens de l’EPFL, dans le cadre d’une importante collaboration européenne, ont révisé l’une des lois fondamentales qui a été établie[{ » attribute= » »>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

La réponse est venue en 1988, lorsque le spécialiste de la fusion Martin Greenwald a publié une célèbre loi reliant la densité du carburant au petit rayon du tokamak (le rayon du cercle intérieur d’un beignet) et au courant circulant dans le plasma à l’intérieur du tokamak. Depuis lors, la « limite de Greenwald » est devenue un principe fondamental de la recherche sur la fusion. En fait, la stratégie de construction du tokamak d’ITER est basée sur cela.

Ritchie explique: « Greenwald dérive la loi de manière empirique, et cela est entièrement à partir de données empiriques – pas une théorie testée, ou ce que nous appelons des » premiers principes « . » Cependant, la limite a bien fonctionné dans la recherche. Et dans certains cas, comme DEMO (le successeur d’ITER), cette équation est une grande limite à son fonctionnement car elle dit que vous ne pouvez pas augmenter la densité du carburant au-delà d’un certain niveau.

En collaboration avec les équipes du tokamak, le Swiss Plasma Center a conçu une expérience où une technologie très avancée pourrait être utilisée pour contrôler avec précision la quantité de carburant injectée dans le tokamak. Les essais massifs ont été menés sur le plus grand tokamak du monde, le Joint European Tokamak (JET) au Royaume-Uni, ainsi que sur la mise à niveau ASDEX en Allemagne (Max Planck Institute) et le tokamak TCV de l’EPFL. Cet effort expérimental majeur a été rendu possible par le Consortium EUROfusion, l’organisation européenne coordonnant la recherche sur la fusion en Europe et dans laquelle l’EPFL est désormais impliquée via l’Institut Max Planck de physique des plasmas en Allemagne.

Parallèlement, Maurizio Giacomene, doctorant dans le groupe de Ricci, a commencé à analyser les processus physiques qui limitent la densité du tokamak, afin d’en déduire une loi de principes élémentaires qui pourrait relier la densité du combustible au volume du tokamak. Une partie de cela implique l’utilisation d’une simulation avancée du plasma à l’aide d’un modèle informatique.

«Les simulations tirent parti de certains des plus grands ordinateurs au monde, tels que ceux rendus possibles par le CSCS, le Centre national suisse de calcul intensif et EUROfusion», explique Ritchie. « Et ce que nous avons découvert, grâce à nos simulations, c’est que lorsque vous ajoutez plus de carburant au plasma, des parties de celui-ci se déplacent de la couche froide externe du tokamak, la limite, jusqu’à son noyau, car le plasma devient plus turbulent. Ensuite, contrairement au fils de cuivre électriques, qui deviennent plus résistants lorsqu’ils sont chauffés, le plasma devient plus résistant lorsqu’il refroidit.Ainsi, plus vous y mettez de carburant à la même température, des parties de celui-ci se refroidissent – et plus il est difficile pour le courant de circuler dans le plasma, ce qui peut entraîner des turbulences. »

C’était un défi à simuler. « La turbulence dans un fluide est en fait le problème ouvert le plus important en physique classique », déclare Ritchie. « Mais la turbulence dans le plasma est plus complexe car vous avez également des champs électromagnétiques. »

En fin de compte, Ritchie et ses collègues ont pu déchiffrer le code et mettre « stylo sur papier » pour dériver une nouvelle équation pour la limite maximale de carburant au tokamak, qui s’aligne bien avec les expériences. Publié dans la revue Lettres d’examen physique Le 6 mai 2022, il rend justice à la frontière de Greenwald, en s’en rapprochant, mais il la modernise de manière importante.

La nouvelle équation suppose que la limite de Greenwald peut être augmentée d’environ deux fois en termes de combustible à ITER ; Cela signifie que des tokamaks comme ITER peuvent en fait utiliser deux fois plus de carburant pour produire du plasma sans se soucier des turbulences. « C’est important car cela montre que l’intensité que vous pouvez atteindre dans un tokamak augmente avec la puissance dont vous avez besoin pour le faire fonctionner », déclare Ritchie. « En fait, DEMO fonctionnera à une puissance beaucoup plus élevée que les tokamaks et ITER actuels, ce qui signifie que vous pouvez ajouter plus de densité de carburant sans réduire la production, contrairement à la loi de Greenwald. Et c’est une très bonne nouvelle. »

Référence : « First Principles Tokamak Density Limit Meter based on turbulent edge transport and its reflections on ITER » Par M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Shareholders et TCV Équipe , 6 mai 2022, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Liste des contributeurs

• Centre suisse du plasma EPFL
• Institut Max Planck de physique des plasmas
• Equipe EPFL TCV
• Équipe de mise à niveau ASDEX
• Contributeurs au JET

Financement : Consortium EUROfusion (Programme de recherche et de formation Euratom), Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)