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May 09, 2023

Faire progresser l'énergie de fusion : les chercheurs atteignent un record

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Les réactions de fusion nucléaire génèrent de grandes quantités d'énergie. Un exemple de fusion nucléaire est les réactions qui se produisent dans le noyau du soleil. Exploiter l'énergie de fusion est depuis longtemps un objectif des scientifiques et des chercheurs car elle ne produit pas d'émissions de gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs à longue durée de vie.

Cependant, il existe plusieurs goulots d'étranglement à la production d'énergie de fusion, tels que l'exigence de températures et de pressions élevées, l'instabilité du plasma, le coût, l'évolutivité et la recherche d'un équilibre énergétique.

Malgré ces défis, des progrès significatifs ont été réalisés dans la recherche sur l'énergie de fusion.

Les tokamaks sont un dispositif utilisé dans la fusion par confinement magnétique. Dans ces réactions, un champ magnétique puissant est utilisé pour contrôler et confiner le plasma chaud du combustible de fusion dans le cœur du réacteur. Le plasma est chauffé à haute température par injection de faisceau neutre ou chauffage par radiofréquence. L'objectif principal est de maintenir un état de plasma stable où les réactions de fusion peuvent se produire en continu, fournissant une source d'énergie illimitée.

Une étude récente menée par des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (ORNL), du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) et de Tokamak Energy Ltd montre une percée significative dans la recherche sur l'énergie de fusion. L'équipe a atteint des températures de près de 100 millions de degrés Celsius, nécessaires aux centrales à fusion pour générer de l'énergie commerciale.

De plus, ils ont atteint des températures élevées dans un tokamak compact, ce qui n'avait jamais été fait auparavant !

Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur le raffinement des conditions de fonctionnement d'un dispositif tokamak sphérique (ST) à champ élevé appelé ST40. Comparé aux autres dispositifs de fusion, le dispositif ST40 se distingue par sa taille réduite et son plasma sphérique.

L'équipe a utilisé une approche similaire à celle des années 1990 dans le tokamak TFTR, qui a généré plus de 10 millions de watts de puissance de fusion. ST40 fonctionnait avec un champ magnétique toroïdal (en forme de beignet) à des valeurs légèrement supérieures à 2 Tesla.

L'équipe a utilisé 1,8 million de watts de particules neutres à haute énergie pour chauffer le plasma. Bien que la décharge de plasma, ou la période pendant laquelle les réactions de fusion se déroulaient activement, n'ait duré que 0,15 seconde, les températures des ions dans le cœur ont atteint plus de 100 millions de degrés Celsius.

L'équipe a utilisé le code de transport TRANSP développé au PPPL pour mesurer les températures des ions. Ce code est utile car il prend en compte les profils de température mesurés des impuretés et du deutérium, le combustible principal utilisé dans les réacteurs à fusion.

Ils ont découvert que la plage de température des impuretés était supérieure à 8,6 keV (environ 100 millions de degrés Celsius), alors que la plage de température du deutérium se situait autour de cette valeur. Cette découverte suggère que la méthode de chauffage utilisée dans l'expérience a effectivement atteint les températures élevées souhaitées.

Les résultats offrent un optimisme pour le développement futur de centrales à fusion basées sur des tokamaks sphériques compacts à champ élevé. Ces progrès pourraient conduire à des solutions d'énergie de fusion plus efficaces et économiquement viables, offrant une voie prometteuse pour la production d'énergie durable et propre.

L'étude a été publiée dans la revue Nuclear Fusion.

Résumé de l'étude :

Des températures ioniques de plus de 100 millions de degrés Kelvin (8,6 keV) ont été produites dans le tokamak sphérique compact à champ élevé ST40 (ST). Des températures ioniques supérieures à 5 keV n'ont jamais été atteintes dans aucun ST et n'ont été obtenues que dans des dispositifs beaucoup plus grands avec une puissance de chauffage au plasma nettement supérieure. Le triple produit de fusion correspondant est calculé comme étant ni0Ti0τE≈6±2 x 1018 m-3 keVs. Ces résultats démontrent pour la première fois que des températures ioniques pertinentes pour la fusion par confinement magnétique commerciale peuvent être obtenues dans une ST compacte à champ élevé et sont de bon augure pour les centrales à fusion basées sur la ST à champ élevé.