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Faire progresser le potentiel de la fusion pour la production d’énergie

Le besoin croissant d’une énergie bon marché et durable pose un défi particulier. Les scientifiques européens du projet FIREFELM ont travaillé sur l’amélioration du potentiel de la fusion nucléaire pour la production d’énergie.

Recherche fondamentale
Espace

La fusion nucléaire a le potentiel de remplacer les sources d’énergie fossile et de couvrir les besoins énergétiques de la population mondiale. C’est le processus qui alimente le Soleil et les étoiles. L’énergie est produite en fusionnant deux isotopes de l’hydrogène: le deutérium, extrait de l’eau, et le tritium, extrait de la croûte terrestre. Pour reproduire ce processus sur Terre, cependant, des températures extrêmement élevées sont nécessaires pour ioniser complètement les atomes devant fusionner. Cela se produit dans des dispositifs de fusion magnétiquement confinés (tokamaks et stellarateurs) qui exploitent l’énergie de fusion sous forme de chaleur et la convertissent en vapeur puis en électricité via des turbines et des générateurs. Néanmoins, l’ensemble du processus est caractérisé par des instabilités magnétohydrodynamiques appelées modes localisés de bord (ELM, pour edge localised modes) qui entraînent une perte de chaleur et de particules et limitent la durée de vie de ces réacteurs de fusion.

Enquête sur les phénomènes ELM

Avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, les scientifiques du projet FIREFELM, financé par l’UE, ont étudié le phénomène ELM en combinant des mesures à haute résolution avec des outils numériques de pointe. «Les ELM expulsent les particules et l’énergie du plasma à la manière des éruptions à la périphérie du Soleil. Comprendre et contrôler les ELM, voire les supprimer, est d’une importance capitale pour réussir la fusion», explique la chercheuse Eleonora Viezzer. Les chercheurs de FIREFELM ont modélisé les canaux de transport au sein d’un tokamak, mettant en lumière le comportement dynamique des coefficients de transport pendant le cycle ELM. Ils ont découvert que le transport de chaleur des ions et des électrons se rétablit à différentes échelles de temps, les électrons récupérant plus lentement. Cela indique que l’épuisement de l’énergie provoqué par l’ELM retarde la récupération du gradient de température des électrons. Les résultats suggèrent également que le plasma central peut dicter la dynamique locale de la récupération du gradient de température électronique pendant le cycle ELM. De plus, les scientifiques ont identifié un mécanisme de résonance entre les orbites ioniques du faisceau et les champs électriques parallèles qui pourraient être associés à l’ELM. Pour la première fois, ils ont pu observer l’accélération des ions du faisceau sur l’ASDEX Upgrade tokamak. Grâce à des simulations numériques d’ions rapides (particules à énergie suprathermique) et à un modèle analytique, les chercheurs ont reproduit qualitativement les observations expérimentales.

Impact et perspectives d’avenir des travaux de FIREFELM

La fusion peut fournir une source d’énergie propre, sûre et viable sans émissions de carbone. Le deutérium est disponible dans nos océans et le tritium peut être conservé dans le lithium, qui est disponible dans la croûte terrestre, faisant de la fusion une source d’énergie pratiquement illimitée. Un vaste effort international, baptisé ITER, est en cours pour faire avancer le processus de fusion et faire progresser les tokamaks existants vers les centrales électriques à fusion du futur. L’ELM posant un sérieux obstacle au fonctionnement en régime permanent de ces futurs appareils de fusion, le travail du projet FIREFELM est primordial pour atténuer ces phénomènes. «L’identification des mécanismes de transport dominants nous aidera à mieux comprendre le cycle ELM et à développer des régimes de confinement élevés sans ELM», poursuit Eleonora Viezzer. Les résultats de FIREFELM améliorent notre compréhension de l’accélération et du transport des particules observées dans la couronne solaire et contribuent à identifier les similitudes entre le tokamak et les plasmas astrophysiques. Eleonora Viezzer poursuit cette ligne de recherche vers le développement de techniques de contrôle des ELM grâce à la subvention de démarrage du CER 3D-FIREFLUC.

Mots‑clés

FIREFELM, fusion, mode localisé de bord (ELM), tokamak, deutérium, tritium

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