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Un physicien aide à confirmer une avancée majeure dans les performances des stellarateurs pour l’énergie de fusion

by Nouvelles

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

Les Stellarators, des dispositifs magnétiques sinueux qui visent à exploiter sur Terre l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles, ont longtemps joué un rôle secondaire par rapport aux installations en forme de beignet plus largement utilisées, connues sous le nom de tokamaks. Les aimants stellarator torsadés complexes ont été difficiles à concevoir et ont permis auparavant une plus grande fuite de la chaleur très élevée des réactions de fusion.


Aujourd’hui, des scientifiques du Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), travaillant en collaboration avec des chercheurs, dont le Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l’Énergie (DOE), ont montré que le Wendelstein 7-X (W7-X) L’appareil de Greifswald, en Allemagne, le plus grand et le plus avancé des stellarateurs au monde, est capable de confiner Chauffer qui atteint des températures deux fois plus élevées que le noyau du soleil.

Indicateur clé

Un instrument de diagnostic appelé XICS, principalement conçu, construit et exploité par le physicien PPPL Novimir Pablant en collaboration avec le physicien IPP Andreas Langenberg, est un indicateur clé d’une forte réduction d’un type de perte de chaleur appelé « néoclassique transport” qui a toujours été plus important dans les stellarators classiques que dans les tokamaks. Les collisions fréquentes qui causent le transport gênant sont des collisions fréquentes qui font sortir les particules chauffées de leurs orbites lorsqu’elles tourbillonnent autour des lignes de champ magnétique qui les confinent. Les dérives des orbites des particules contribuent au transport. .

Un rapport récent sur les résultats de W7-X dans La nature Le magazine confirme le succès des efforts des concepteurs pour façonner les aimants stellarator finement torsadés 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 la fusion que cette conception ait été un succès”, a déclaré Pablant, co-auteur avec Langenberg de l’article. “Cela montre clairement que ce type d’optimisation peut être fait.”

David Gates, chef du département des projets avancés au PPPL qui supervise les travaux du laboratoire sur les stellarateurs, était également très enthousiasmé. « Cela a été très excitant pour nous, à PPPL et à toutes les autres institutions américaines collaboratrices, de faire partie de cette expérience vraiment excitante », a déclaré Gates. “Le travail de Novi a été au centre des efforts de cette incroyable équipe expérimentale. Je suis très reconnaissant à nos collègues allemands d’avoir si gracieusement permis notre participation.”

Puissance sans carbone

La fusion que les scientifiques cherchent à produire combine des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composé d’électrons libres et de noyaux atomiques, ou ions, qui constituent 99% de l’univers visible – pour générer des quantités massives d’énergie. . La production d’une fusion contrôlée sur Terre créerait une réserve pratiquement inépuisable d’une source d’énergie sûre, propre et sans carbone pour produire de l’électricité pour l’humanité et contribuerait grandement à la transition des combustibles fossiles.

Les Stellarators, construits pour la première fois dans les années 1950 sous le fondateur de PPPL Lyman Spitzer, peuvent fonctionner dans un état stable avec peu de risques de perturbations plasmatiques auxquelles les tokamaks sont confrontés. 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, a été de démontrer la pertinence d’un stellarator optimisé en tant qu’éventuelle centrale à fusion.

Les résultats obtenus par le XICS démontrent des températures d’ions chauds qui n’auraient pas pu être atteintes sans une forte réduction du transport néoclassique. Ces mesures ont également été effectuées par le diagnostic CXRS construit et exploité par IPP, qui était considéré comme un peu plus précis mais n’a pas pu être effectué dans toutes les conditions. Les profils de température finaux dans le La nature rapport ont été tirés de CXRS et soutenus par des mesures avec XICS dans des plasmas similaires.

‘Extrêmement précieux’

“Sans le XICS, nous n’aurions probablement pas découvert cela [good confinement] régime “, a déclaré Robert Wolf, chef de la division de chauffage et d’exploitation W7-X et co-auteur de l’article. ” Nous avions besoin d’une mesure de la température des ions facilement disponible et cela était extrêmement précieux. “

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

Les résultats marquent un pas en avant pour permettre aux stellarateurs basés sur la conception W7-X de conduire à un réacteur de fusion pratique, a-t-il ajouté. “Mais réduire le transport néoclassique n’est pas la seule chose que vous ayez à faire. Il y a tout un tas d’autres objectifs qui doivent être montrés, y compris la stabilité et la réduction du transport turbulent.” Le transport turbulent produit des ondulations 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 prolongera les expériences de fusion et un divertor amélioré qui évacuera la chaleur haute performance. Les mises à niveau permettront la prochaine étape de l’enquête par les chercheurs de W7-X sur la valeur des stellarators optimisés pour devenir des modèles pour les centrales électriques.


Le concept Wendelstein 7-X prouve son efficacité


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

Citation: Un physicien aide à confirmer une avancée majeure dans les performances des stellarateurs pour l’énergie de fusion (2021, 30 août) récupéré le 31 août 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-08-physicist-major-advance-stellarator-fusion.html

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