Les scientifiques ont réalisé une percée remarquable dans la conception de stellarators torsadés, des installations magnétiques expérimentales qui pourraient reproduire sur Terre l'énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles. Cette percée montre comment façonner plus précisément les champs magnétiques enveloppants dans les stellarators pour créer une capacité sans précédent à maintenir le combustible de fusion ensemble.
"L'essentiel était de développer un logiciel qui vous permette d'essayer rapidement de nouvelles méthodes de conception", a déclaré Elizabeth Paul, boursière postdoctorale présidentielle de l'université de Princeton au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'énergie et co -auteur d'un article qui détaille la découverte dans Physical Review Letters. Les résultats produits par Paul et l'auteur principal Matt Landreman de l'Université du Maryland pourraient renforcer la capacité des stellarators à récolter la fusion pour générer une énergie électrique sûre et sans carbone pour l'humanité.
Renaissance des stellarators
Les stellarators, inventés par Lyman Spitzer, astrophysicien de Princeton et fondateur de PPPL dans les années 1950, ont longtemps été relégués au second plan par les tokamaks dans l'effort mondial de production d'énergie de fusion contrôlée. Mais les développements récents qui incluent les performances impressionnantes du stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) en Allemagne, les résultats étendus du Large Helical Device (LHD) au Japon, les résultats prometteurs de l'Helically Symmetric Experiment (HSX) à Madison , Wisconsin, et l'utilisation proposée d'aimants permanents simples pour remplacer les bobines stellaires complexes ont suscité un regain d'intérêt pour les machines sinueuses.
La physicienne Elizabeth Paul et Matt Landreman avec des personnages illustratifs derrière eux. Crédit : Arthur Lin pour la photo de Paul, Faye Levine pour la photo de Landreman ; figures en haut à gauche et à droite du papier PRL ; en bas visualisations générées par ordinateur d'un tokamak, à gauche, et d'un stellarator, à droite par Paul et Landreman. Collage de Kiran Sudarsanan.
La fusion crée une vaste énergie dans tout l'univers en combinant des éléments légers sous forme de plasma, l'état chaud et chargé de la matière composée d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou ions, qui représente 99 % de l'univers visible. Les stellarators pourraient produire des versions de laboratoire du processus sans risquer les perturbations dommageables auxquelles sont confrontées les installations de fusion de tokamak plus largement utilisées.
Cependant, les champs magnétiques de torsion dans les stellarators ont été moins efficaces pour confiner les trajectoires des ions et des électrons que les champs symétriques en forme de beignet dans les tokamaks, provoquant une perte importante et soutenue de la chaleur extrême nécessaire pour apporter les ions ensemble pour libérer l'énergie de fusion. De plus, les bobines complexes qui produisent les champs stellaires sont difficiles à concevoir et à construire.
La percée actuelle produit ce qu'on appelle une "quasisymétrie" dans les stellarators pour correspondre presque à la capacité de confinement des champs symétriques d'un tokamak. Alors que les scientifiques ont longtemps cherché à produire une quasi-symétrie dans les stellarators en torsion, la nouvelle recherche développe une astuce pour la créer de manière presque précise. L'astuce utilise un nouveau logiciel open-source appelé SIMSOPT (Simons Optimization Suite) qui est conçu pour optimiser les stellarators en affinant lentement la forme simulée de la limite du plasma qui délimite les champs magnétiques. "La possibilité d'automatiser les choses et d'essayer rapidement des choses avec ce nouveau logiciel rend ces configurations possibles", a déclaré Landreman.
Les scientifiques pourraient également appliquer les découvertes à l'étude des problèmes astrophysiques, a-t-il déclaré. En Allemagne, une équipe développe un stellarator quasi-symétrique pour confiner et étudier les particules d'antimatière comme celles que l'on trouve dans l'espace. "C'est exactement le même défi que pour la fusion", a déclaré Landreman. "Il suffit de s'assurer que les particules restent confinées."
Hypothèses révolutionnaires
La percée a formulé des hypothèses simplificatrices qui nécessiteront des améliorations. Par souci de simplicité, par exemple, la recherche a considéré un régime dans lequel la pression et le courant électrique dans le plasma étaient faibles. "Nous avons fait des hypothèses simplificatrices, mais la recherche est un pas en avant important car nous avons montré que vous pouvez réellement obtenir une quasi-symétrie précise qui pendant longtemps a été considérée comme impossible", a déclaré Paul.
De nouvelles bobines de stellarator et une ingénierie détaillée de la conception du stellarator doivent également être développées avant que les découvertes puissent être réalisées. Le champ magnétique pourrait être fourni en partie par les aimants permanents que PPPL développe pour rationaliser les bobines stellaires torsadées d'aujourd'hui. "Les plus grandes pièces manquantes sont les aimants, la pression et le courant", a déclaré Landreman.
Le travail de Paul sur le document PRL fait partie des réalisations de la deuxième année de sa bourse présidentielle à Princeton. Elle a précédemment remporté le très compétitif prix de thèse de doctorat exceptionnel Marshall N. Rosenbluth 2021 de l'American Physical Society pour sa thèse à l'Université du Maryland, sur laquelle Landreman était conseillère. Elle travaille maintenant avec Richard Nies, étudiant diplômé du PPPL, qui a récemment publié un article qui applique les outils mathématiques que sa thèse du Maryland a développés pour accélérer la production de quasisymétrie.
Le physicien PPPL Amitava Bhattacharjee, professeur de sciences astrophysiques à Princeton, supervise également les travaux de Paul à Princeton et supervise également le projet "Hidden Symetries and Fusion Energy" parrainé par la Simons Foundation à New York qui a financé l'article PRL. « Les travaux de Matt et Elizabeth utilisent adroitement les outils mathématiques et informatiques développés ces dernières années sur l'optimisation des stellaires, et établissent sans aucun doute que nous pouvons concevoir des champs magnétiques stellaires quasi symétriques avec un niveau de précision sans précédent. C'est un triomphe de la conception informatique.
Le travail de Stellarator sur le projet Simons est parallèle à la recherche PPPL pour développer le dispositif prometteur que le Laboratoire a inventé il y a environ 70 ans. Un tel développement combinerait les meilleures caractéristiques des stellarators et des tokamaks pour concevoir une installation sans perturbation avec un fort confinement du plasma pour reproduire une source pratiquement illimitée d'énergie de fusion.
Référence : "Magnetic Fields with Precise Quasisymmetry for Plasma Confinement" par Matt Landreman et Elizabeth Paul, 18 janvier 2022, Physical Review Letters.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.035001
