Les physiciens confirment une grande avancée dans les performances des stellarateurs pour l’énergie de fusion


Les physiciens du PPPL confirment une grande avancée dans les performances des stellarateurs pour l'énergie de fusion

Le physicien IPP Andreas Langenberg, à gauche, et le physicien PPPL Novimir Pablant devant l’installation du diagnostic XICS sur le W7-X. Crédit photo : Scott Massida

Stellarators, dispositifs magnétiques torsadés qui visent à exploiter l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles sur Terre, ont longtemps joué le rôle de second violon derrière les dispositifs en forme de beignet les plus largement utilisés connus sous le nom de tokamaks. Les aimants stellarator torsadés complexes étaient difficiles à construire et permettaient auparavant une plus évacuation de la chaleur très élevée des réactions de fusion.

Désormais, des scientifiques du Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), en collaboration avec des chercheurs tels que le Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l’Énergie (DOE), ont montré que le Wendelstein 7-X (W7-X ) à Greifswald, en Allemagne, le stellarator le plus grand et le plus avancé au monde, est capable de contenir une chaleur deux fois supérieure à celle du cœur du soleil.

Indicateur clé

Un instrument de diagnostic appelé XICS, développé, construit et exploité principalement par le physicien PPPL Novimir Pablant en collaboration avec le physicien IPP Andreas Langenberg, est un indicateur important d’une réduction importante d’un type de perte de chaleur appelé « transport néoclassique » qui se produit dans le passé a été plus grande avec les stellarators classiques qu’avec les tokamaks. La cause du transport perturbateur sont des collisions fréquentes qui projettent des particules chauffées hors de leur orbite alors qu’elles tournent autour des lignes de champ magnétique qui les limitent. Les dérives dans les trajectoires des particules contribuent au transport.

Un récent rapport sur W7-X a la nature Magazine confirme le succès des efforts des concepteurs pour façonner les aimants stellarator torsadés de manière complexe afin de réduire le transport néoclassique. Le premier auteur de l’article était le physicien Craig Beidler de la Division Théorie de l’IPP. « C’est une nouvelle vraiment excitante pour Fusion que cette conception ait été un succès », a déclaré Pablant, co-auteur de l’article avec Langenberg. « Cela montre clairement que ce type d’optimisation est possible. »

David Gates, chef du département projets avancés au PPPL qui supervise les travaux du laboratoire sur les stellarateurs, s’est également montré très enthousiaste. « Cela a été très excitant pour nous à PPPL et tous les autres collaborateurs américains de faire partie de cette expérience vraiment excitante », a déclaré Gates. « Le travail de Novi était au centre des efforts de cette incroyable équipe expérimentale. Je suis très reconnaissant à nos collègues allemands d’avoir rendu notre participation possible si gentiment. »

Électricité sans carbone

La fusion recherchée par les scientifiques combine des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composé d’électrons libres et de noyaux ou d’ions atomiques, qui constituent 99% de l’univers visible – pour générer d’énormes quantités d’énergie. La fusion contrôlée sur Terre créerait une source pratiquement inépuisable de sources d’énergie sûres, propres et sans carbone pour produire de l’électricité pour l’humanité et apporterait une contribution importante à l’abandon des combustibles fossiles.

Les Stellarators, construits pour la première fois dans les années 1950 sous le fondateur de PPPL Lyman Spitzer, peuvent fonctionner en régime permanent avec peu de risque de perturbation du plasma auquel les tokamaks sont exposés. Cependant, leur complexité et leur historique de confinement thermique relativement faible les ont retenus. L’un des principaux objectifs de la conception optimisée de W7-X, qui a produit son premier plasma en 2015, était de démontrer la pertinence d’un stellarator optimisé en tant que centrale de fusion possible.

Les résultats obtenus à partir de XICS montrent des températures d’ions chauds qui n’auraient pas pu être atteintes sans une forte réduction du transport néoclassique. Ces mesures ont également été prises par le CXRS Diagnostics, construit et exploité par IPP, qui était considéré comme un peu plus précis mais ne pouvait pas être effectué dans toutes les conditions. Les profils de température finaux dans le la nature Les rapports ont été extraits du CXRS et soutenus par des mesures avec XICS dans des plasmas similaires.

‘Extrêmement précieux’

« Sans le XICS, nous n’aurions probablement pas découvert que [good confinement] Régime », a déclaré Robert Wolf, chef du département de chauffage et d’exploitation de W7-X et co-auteur de l’article. « Nous avions besoin d’une mesure de la température des ions facilement disponible, et c’était extrêmement précieux.

Les chercheurs ont mené une expérience de pensée pour tester le rôle joué par l’optimisation dans les résultats du confinement. L’expérience a montré que dans un stellarator non optimisé un grand transport néoclassique aurait rendu les températures élevées enregistrées sur le W7-X impossibles pour la puissance de chauffage donnée. « Cela indiquait que la forme optimisée de W7-X réduisait le transport néoclassique et était nécessaire pour les observées dans les expériences W7-X », a déclaré Pablant. « C’était une façon de montrer à quel point l’optimisation était importante. »

Les résultats sont une étape vers la transformation des stellarateurs basés sur la conception W7-X en un réacteur de fusion pratique, a-t-il ajouté. « Mais réduire le transport néoclassique n’est pas la seule chose que vous devez faire. Il y a toute une série d’autres objectifs à montrer, y compris courir stable et réduire le transport turbulent. » Les transports turbulents sont créés par des vagues et des tourbillons qui traversent le plasma en tant que deuxième source principale de perte de chaleur.

Le W7-X rouvrira en 2022 après une mise à niveau de trois ans pour installer un système de refroidissement par eau qui prolonge les expériences de fusion et un divertor amélioré qui dissipe la chaleur à haute puissance. Les mises à niveau permettent la prochaine étape de l’enquête des chercheurs du W7-X pour savoir si les stellarateurs optimisés conviennent comme plans pour les centrales électriques.


Le concept Wendelstein 7-X prouve son efficacité


Plus d’information:
CD Beidler et al., Démonstration du transport énergétique néoclassique réduit dans Wendelstein 7-X, la nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-03687-w

Fourni par Princeton Plasma Physics Laboratory

Citation: Physicist Helps Confirm Major Advancement in Stellarator Performance for Fusion Energy (2021, 30 août), consulté le 30 août 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-08-physicist-major-advance-stellarator -fusion.html

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