Chemin vers une isolation thermique plus élevée du plasma / Réduction de la turbulence du plasma – Technoguide

Pour les chercheurs en fusion de l’IPP, qui souhaitent développer une centrale électrique basée sur le modèle du soleil, la formation de turbulences dans son carburant – un plasma d’hydrogène – est un sujet de recherche central. Les petits tourbillons transportent les particules et la chaleur hors du centre de plasma chaud et réduisent ainsi l’isolation thermique du plasma confiné magnétiquement. Parce que la taille et donc le prix de l’électricité d’une future centrale à fusion en dépendent, l’un des objectifs les plus importants est de comprendre, prédire et influencer ce «transport turbulent».

Étant donné que la description informatique exacte de la turbulence du plasma nécessiterait la solution de systèmes d’équations très complexes et l’exécution d’innombrables étapes de calcul, le processus de développement de code vise à réaliser des simplifications raisonnables. Le code GENE développé à l’IPP est basé sur un ensemble d’équations simplifiées, dites gyrokinétiques. Ils ignorent tous les phénomènes du plasma qui ne jouent pas un rôle majeur dans le transport turbulent. Bien que l’effort de calcul puisse être réduit de plusieurs ordres de grandeur de cette manière, les supercalculateurs les plus rapides et les plus puissants du monde ont toujours été nécessaires pour développer davantage le code. En attendant, GENE est capable de décrire la formation et la propagation de petits tourbillons de plasma basse fréquence dans le puits intérieur du plasma et de reproduire et expliquer les résultats expérimentaux – mais à l’origine uniquement pour les systèmes de fusion simplement construits, car axisymétriques du tokamak type.

Par exemple, des calculs avec GENE ont montré que les ions rapides peuvent réduire considérablement le transport turbulent dans les plasmas de tokamak. Des expériences au tokamak de mise à niveau ASDEX à Garching ont confirmé ce résultat. Les ions rapides nécessaires ont été fournis par chauffage au plasma en utilisant des ondes radio de la fréquence cyclotronique ionique.

Un code tokamak pour les stellarators

Chez les stellarators, cette suppression de la turbulence par les ions rapides n’avait pas été observée expérimentalement jusqu’à présent. Cependant, les derniers calculs avec GENE suggèrent maintenant que cet effet devrait également exister dans les plasmas stellarateurs: dans le stellarateur Wendelstein 7-X de l’IPP à Greifswald, il pourrait théoriquement réduire la turbulence de plus de moitié. Comme le montrent les scientifiques de l’IPP Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro et Frank Jenko dans la revue Physical Review Letters, la température optimale des ions dépend fortement de la forme du champ magnétique. Le professeur Frank Jenko, chef du département de théorie des tokamaks à l’IPP de Garching: “Si ce résultat calculé est confirmé dans de futures expériences avec Wendelstein 7-X à Greifswald, cela pourrait ouvrir la voie à des plasmas haute performance intéressants.”

Afin d’utiliser GENE pour le calcul de la turbulence dans les plasmas de forme plus compliquée des stellarateurs, des ajustements de code majeurs ont été nécessaires. Sans la symétrie axiale des tokamaks, il faut faire face à une géométrie beaucoup plus complexe pour les stellarateurs.

Pour le professeur Per Helander, chef du département de théorie des stellarateurs à l’IPP à Greifswald, les simulations de stellarateurs réalisées avec GENE sont «de la physique très excitante». Il espère que les résultats pourront être vérifiés dans le stellarator Wendelstein 7-X à Greifswald. «Si les valeurs plasmatiques de Wendelstein 7-X sont adaptées à de telles expériences, il sera possible de déterminer si, dans la période expérimentale à venir, le système de chauffage par ondes radio sera mis en service en plus du chauffage actuel par micro-ondes et par particules», déclare le professeur Robert. Wolf, dont le département est responsable du chauffage au plasma.

GENE devient GENE-3D

Selon Frank Jenko, c’était une autre “énorme étape” pour rendre GENE non seulement approximativement, mais complètement adapté à la forme complexe et tridimensionnelle des stellarators. Après presque cinq ans de travail de développement, le code GENE-3D, maintenant présenté dans le “Journal of Computational Physics” par Maurice Maurer et ses co-auteurs, fournit un “calcul de turbulence rapide et réaliste également pour les stellarateurs”, explique Frank Jenko. Contrairement à d’autres codes de turbulence stellarator, GENE-3D décrit la dynamique complète du système, c’est-à-dire le mouvement turbulent des ions et aussi des électrons sur tout le volume interne du plasma, y ​​compris les fluctuations résultantes du champ magnétique.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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