Une démonstration de plasma « propre » dynamise ITER et les futures centrales électriques

• La « barrière thermique » empêche le tungstène de contaminer le plasma.

Les scientifiques d’EUROfusion, dont certains de l’Autorité britannique de l’énergie atomique (UKAEA) travaillant sur le Joint European Torus (JET) de l’UKAEA, ont découvert un moyen d’améliorer les performances de la fusion.

JET utilise des champs magnétiques pour confiner son plasma, un gaz surchauffé d’isotopes de l’hydrogène, dans le tokamak. Sous une chaleur intense (150 millions de degrés Celsius, dix fois plus chaud que le noyau du soleil) et une pression intense, les isotopes fusionnent en hélium, libérant de l’énergie sous forme de neutrons.

Pour résister à la chaleur intense du processus de fusion, des métaux à point de fusion élevé, comme le tungstène, sont utilisés sur les parois intérieures du tokamak.

Cependant, le tungstène a son propre talon d’Achille : il peut contaminer et diluer le plasma. Cela se produit lorsque le plasma chaud interagit avec les parois métalliques internes de la machine.

Si la contamination du tungstène n’est pas contrôlée, les impuretés lourdes de tungstène peuvent refroidir excessivement le plasma en absorbant la chaleur, qui est ensuite perdue du plasma sous forme de lumière. Cela réduit la puissance des réactions de fusion au sein du plasma.

Ils ont découvert qu’en créant un type particulier de « barrière thermique », comme une fine couche à l’extérieur du plasma, sous la forme d’une chute de température importante de 20 millions de degrés Celsius, les contaminants de tungstène sont empêchés de pénétrer dans le noyau du plasma. plasma.

Cette méthode de conservation du plasma «propre» a été saluée comme une hypothèse avant d’être récemment démontrée par les scientifiques d’EUROfusion et de l’UKAEA. La méthode a été testée dans le cadre d’une série d’expériences qui ont aidé JET à battre le record mondial de puissance de fusion soutenue annoncé l’année dernière.

La démonstration est un élan majeur pour le projet international de fusion ITER, la version la plus grande et la plus avancée de JET, et pour les futures centrales à fusion qui utilisent le confinement magnétique pour produire de la fusion.

Dr Anthony Field, chercheur principal en fusion à l’UKAEA (Royaume-Uni) :

« Nos mesures ont montré que nous sommes sur le point de résoudre l’une des plus grandes quêtes scientifiques de notre temps. Le plasma peut être exempt de contaminants de tungstène qui le refroidiraient, maintenant une chute de température de vingt millions de degrés Celsius au bord de notre plasma. Cela empêche les ions de tungstène de nous empêcher d’atteindre les conditions de fusion.

Dr. Joëlle Mailloux, chef du groupe de travail UKAEA JET (Royaume-Uni) :

« Il s’agit d’un résultat clé prédit par la théorie, que nous n’avions jamais observé auparavant : dans de bonnes conditions, nous pouvons faire en sorte que notre plasma pousse les impuretés métalliques vers le bord, afin qu’elles ne refroidissent pas le plasma confiné où la fusion se produit. Il s’agit d’un ingrédient crucial pour des performances de fusion élevées et durables à ITER.

Dr Alberto Loarte, chef de la division scientifique d’ITER (France) :

« Les résultats du JET confirment une prédiction de longue date selon laquelle les plasmas hautes performances nécessaires à la production d’énergie de fusion peuvent être très efficacement protégés des impuretés de tungstène provenant de la paroi. Cela a été très difficile à démontrer expérimentalement, car il est nécessaire d’approcher des conditions de type ITER dans des tokamaks actuels plus petits. Les scientifiques du JET se sont suffisamment rapprochés des conditions d’ITER pour voir ce nouvel effet en jeu. Cela fournit une base solide pour nos prédictions sur le comportement des plasmas d’ITER. »

Dr. Athina Kappatou, coordinatrice scientifique des expériences JET au Max-Planck-Institute for Plasma Physics IPP (Allemagne) :

« L’un des principaux défis auxquels nous sommes confrontés lorsque nous essayons de maintenir des performances de fusion élevées dans JET consiste à éviter les impuretés métalliques provenant des parois métalliques de l’appareil. Nous savions que la théorie prédisait comment les plasmas d’ITER pourraient utiliser une forte baisse de température pour empêcher ces impuretés d’entrer, mais cela n’avait pas encore été démontré dans un dispositif actuel. C’était très excitant de voir que nous pouvions nous rapprocher suffisamment des conditions d’ITER pour démontrer cet effet dans les plasmas JET et en bénéficier dans notre quête de hautes performances de fusion. »

La recherche a été publiée par IOPSscience. Ce sont les conclusions des expériences deutérium-deutérium menées par le JET en 2020 et en préparation des expériences deutérium-tritium en 2021.

Les résultats historiques du JET annoncés en février 2022 ont démontré un record de 59 mégajoules d’énergie de fusion soutenue et ont été obtenus par le consortium EUROfusion d’experts, d’étudiants et de personnel de toute l’Europe, cofinancé par la Commission européenne.

Des analyses détaillées des résultats de la série d’expériences réalisées lorsque JET a battu le record du monde de fusion soutenue seront publiées dans le Conférence de l’AIEA sur l’énergie de fusion Plus tard cette année.

La fusion est le processus qui alimente le Soleil et promet de fournir une source presque illimitée d’énergie propre.

La fusion pourrait être transformatrice pour la sécurité énergétique et est importante dans la lutte contre le changement climatique. Il a le potentiel de fournir de l’énergie « de base », complétant les sources d’énergie renouvelables et autres sources d’énergie à faible émission de carbone dans le cadre des portefeuilles énergétiques de nombreux pays.