Selon de récentes simulations et analyses, l'installation phare de fusion du Princeton Plasma Physics Laboratory du Département américain de l'énergie (DOE) (PPPL) pourrait servir de modèle pour une usine pilote de fusion de nouvelle génération économiquement attrayante. L'usine pilote pourrait être la prochaine étape aux États-Unis vers la collecte de l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles sur Terre en tant que source d'énergie sûre et propre pour produire de l'énergie.
La communauté de la fusion aux États-Unis a récemment poussé à un effort urgent pour développer et construire une usine pilote rentable capable de produire de l'électricité dans les années 2040. Le vaisseau amiral PPPL, le National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), qui est actuellement en cours de réparation, possède des caractéristiques uniques qui rendent sa conception adaptée à ce rôle. "Il s'agit d'essayer de projeter si cette voie est favorable pour une usine pilote rentable et au-delà", a déclaré Walter Guttenfelder, physicien principal et auteur principal d'une étude détaillant les nouvelles découvertes publiées dans la revue. La fusion nucléaire.
La fusion produit une grande énergie en combinant des éléments légers tels que l'hydrogène sous forme de plasma, l'état chaud et chargé de la matière composée d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou ions. Le plasma compose 99% de l'univers visible et alimente des réactions de fusion qui produisent de la chaleur et de la lumière qui créent et maintiennent la vie sur Terre.
Le physicien Walter Guttenfelder avec les chiffres de l'article qu'il a rédigé avec des chercheurs du PPPL, dont des membres de l'équipe NSTX-U et 23 institutions collaboratives dans le monde. Crédit : Photo par Elle Starkman/PPPL Bureau des communications ; collage de Kiran Sudarsanan
Le NSTX-U de forme sphérique produit des plasmas haute pression nécessaires aux réactions de fusion dans une configuration relativement compacte et économique. Les capacités d'exploitation de l'installation sont grandement améliorées par rapport à son prédécesseur pré-mis à niveau. "La principale motivation de NSTX-U est de pousser jusqu'à des puissances encore plus élevées, des champs magnétiques plus élevés supportant des plasmas à haute température pour voir si les tendances favorables observées précédemment se poursuivent", a déclaré Guttenfelder.
La théorie, l'analyse et la modélisation récentes de l'équipe de recherche NSTX-U prédisent que bon nombre de ces tendances devraient être démontrées dans de nouvelles expériences NSTX-U. Les conditions de fonctionnement prévues pour le NSTX-U sont les suivantes :
- Démarrage du plasma. La modélisation a été développée pour optimiser efficacement l'initiation et la montée en puissance du plasma, et elle a été appliquée pour aider une installation de tokamak sphérique au Royaume-Uni à produire son premier plasma.
- Comprendre le bord du plasma. De nouveaux modèles simulent la dynamique entre le bord du plasma et la paroi du tokamak qui peut déterminer si le cœur du plasma atteindra les températures de 150 millions de degrés nécessaires pour produire des réactions de fusion.
- Application de l'intelligence artificielle. L'apprentissage automatique de l'IA a développé une voie rapide pour optimiser et contrôler les conditions du plasma qui correspondent étroitement aux cibles de test prévues.
- Nouvelles techniques. Les simulations suggèrent de nombreuses nouvelles techniques pour protéger les composants NSTX-U intérieurs des explosions de chaleur d'échappement provenant des réactions de fusion. Parmi ces concepts figure l'utilisation de lithium vaporisé pour réduire l'impact du flux de chaleur.
- Une performance stable. Des études ont montré qu'une fenêtre de performances NSTX-U peut rester stable face à des instabilités susceptibles de dégrader les opérations.
- Ce qu'il faut éviter. Une meilleure compréhension des conditions à éviter provient d'un excellent accord entre la gamme prédite de plasmas instables et une grande base de données expérimentale.
Des progrès considérables ont donc été réalisés dans la compréhension et la projection de la manière dont NSTX-U peut faire progresser le développement de l'énergie de fusion, la La fusion nucléaire dit le papier. "La prochaine étape", a déclaré Guttenfelder, "est de voir si de nouvelles expériences valident ce que nous prédisons, et d'affiner les prédictions si ce n'est pas le cas. Ensemble, ces étapes permettront des projections plus fiables pour les futurs appareils. »
Référence : « Théorie NSTX-U, modélisation et résultats d'analyse » par W. Guttenfelder, DJ Battaglia, E. Belova, N. Bertelli, MD Boyer, CS Chang, A. Diallo, VN Duarte, F. Ebrahimi, ED Emdee, N Ferraro, E. Fredrickson, NN Gorelenkov, W. Heidbrink, Z. Ilhan, SM Kaye, E.-H. Kim, A. Kleiner, F. Laggner, M. Lampert, JB Lestz, C. Liu, D. Liu, T. Looby, N. Mandell, R. Maingi, JR Myra, S. Munaretto, M. Podestà, T. Rafiq, R. Raman, M. Reinke, Y. Ren, J. Ruiz Ruiz, F. Scotti, S. Shiraiwa, V. Soukhanovskii, P. Vail, ZR Wang, W. Wehner, AE White, RB White, BJQ Woods , J. Yang, SJ Zweben, S. Banerjee, R. Barchfeld, RE Bell, JW Berkery, A. Bhattacharjee, A. Bierwage, GP Canal, X. Chen, C. Clauser, N. Crocker, C. Domier, T Evans, M. Francisquez, K. Gan, S. Gerhardt, RJ Goldston, T. Gray, A. Hakim, G. Hammett, S. Jardin, R. Kaita, B. Koel, E. Kolemen, S.-H . Ku, S. Kubota, BP LeBlanc, F. Levinton, JD Lore, N. Luhmann, R. Lunsford, R. Maqueda, JE Menard, JH Nichols, M. Ono, J.-K. Park, F. Poli, T. Rhodes, J. Riquezes, D. Russell, SA Sabbagh, E. Schuster, DR Smith, D. Stotler, B. Stratton, K. Tritz, W. Wang et B. Wirth, 30 mars 2022, La fusion nucléaire.
DOI : 10.1088/1741-4326/ac5448
Le soutien de cette recherche provient du DOE Office of Science avec de nombreuses simulations produites à l'aide des ressources du National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les co-auteurs de l'article incluent des chercheurs du PPPL et de 23 institutions collaboratives du monde entier.
PPPL, le L'Université de Princeton's Forrestal Campus à Plainsboro, NJ, se consacre à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas - gaz ultra-chauds et chargés - et au développement de solutions pratiques pour la création d'énergie de fusion.
