A new and unique fusion reactor comes together due to global research collaboration
AAAUn nouveau réacteur à fusion unique est né grâce à une collaboration de recherche mondiale
par Rachel Kremen, Princeton Plasma Physics Laboratory
SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART) est en cours de construction à l'Université de Séville en Espagne, en collaboration avec le Princeton Plasma Physics Laboratory. (Crédit photo : Université de Séville). Crédit : Université de Séville
Comme des atomes s'assemblant pour libérer leur énergie, les chercheurs en fusion du monde entier unissent leurs forces pour résoudre la crise énergétique mondiale. Exploiter la puissance de la fusion plasma comme source d'énergie fiable pour le réseau électrique n'est pas une tâche facile, nécessitant des contributions mondiales.
Le Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) mène plusieurs efforts sur ce front, notamment en collaborant à la conception et au développement d'un nouveau dispositif de fusion à l'Université de Séville en Espagne. Le SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART) bénéficie grandement des codes informatiques du PPPL ainsi que de l'expertise du laboratoire en matière de systèmes magnétiques et de capteurs.
« Le projet SMART est un excellent exemple de notre collaboration pour résoudre les défis posés par la fusion et enseigner à la prochaine génération ce que nous avons déjà appris », a déclaré Jack Berkery, directeur adjoint de la recherche du PPPL pour le National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) et chercheur principal de la collaboration PPPL avec SMART. « Nous devons tous faire cela ensemble, sinon cela n'arrivera pas. »
Manuel Garcia-Munoz et Eleonora Viezzer, tous deux professeurs au Département de physique atomique, moléculaire et nucléaire de l'Université de Séville ainsi que co-directeurs du Plasma Science and Fusion Technology Lab et du projet tokamak SMART, ont déclaré que PPPL semblait être le partenaire idéal pour leur première expérience de tokamak. L'étape suivante consistait à décider quel type de tokamak ils devaient construire.
« Il fallait qu'il soit abordable pour une université, mais aussi qu'il puisse apporter une contribution unique au paysage de la fusion à l'échelle universitaire », a déclaré Garcia-Munoz. « L'idée était de réunir des technologies déjà établies : un tokamak sphérique et une triangularité négative, faisant de SMART le premier du genre. Il s'avère que c'était une idée fantastique. »
SMART devrait offrir un plasma de fusion facile à gérer
La triangularité fait référence à la forme du plasma par rapport au tokamak. La section transversale du plasma dans un tokamak a généralement la forme de la lettre majuscule D. Lorsque la partie droite du D fait face au centre du tokamak, on dit qu'il a une triangularité positive. Lorsque la partie courbe du plasma fait face au centre, le plasma a une triangularité négative.
Garcia-Munoz a déclaré que la triangularité négative devrait offrir des performances améliorées car elle peut supprimer les instabilités qui expulsent les particules et l'énergie du plasma, évitant ainsi d'endommager la paroi du tokamak.
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"C'est un élément potentiellement révolutionnaire avec des performances de fusion et une gestion de puissance attrayantes pour les futurs réacteurs à fusion compacts", a-t-il déclaré. "La triangularité négative a un niveau de fluctuations plus faible à l'intérieur du plasma, mais elle a également une plus grande zone de dérivation pour distribuer l'échappement de chaleur".
La forme sphérique de SMART devrait lui permettre de mieux confiner le plasma que s'il avait la forme d'un beignet. La forme est très importante en termes de confinement du plasma. C'est pourquoi NSTX-U, la principale expérience de fusion de PPPL, n'est pas trapu comme certains autres tokamaks : la forme plus ronde facilite le confinement du plasma. SMART sera le premier tokamak sphérique à explorer pleinement le potentiel d'une forme de plasma particulière connue sous le nom de triangularité négative.
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Une décharge luminescente chauffée par micro-ondes est exécutée dans SMART pour tester le tokamak. Crédit : Université de Séville
L'expertise de PPPL en matière de codes informatiques s'avère essentielle
PPPL a une longue histoire de leadership dans la recherche sur les tokamaks sphériques. L'équipe de fusion de l'Université de Séville a d'abord contacté PPPL pour mettre en œuvre SMART dans TRANSP, un logiciel de simulation développé et maintenu par le laboratoire. Des dizaines d'installations utilisent TRANSP, y compris des entreprises privées telles que Tokamak Energy en Angleterre.
"PPPL est un leader mondial dans de nombreux domaines, y compris la simulation de fusion ; TRANSP est un excellent exemple de leur réussite", a déclaré Garcia-Munoz.
Mario Podesta, ancien de PPPL, a joué un rôle essentiel pour aider l'Université de Séville à déterminer la configuration des faisceaux neutres utilisés pour chauffer le plasma. Ce travail a abouti à un article publié dans la revue Plasma Physics and Controlled Fusion.
Stanley Kaye, directeur de recherche pour NSTX-U, travaille actuellement avec Diego Jose Cruz-Zabala, chercheur associé EUROfusion Bernard Bigot, de l'équipe SMART, en utilisant TRANSP « pour déterminer les courants de bobine de mise en forme nécessaires pour atteindre les formes de plasma de conception de triangularité positive et de triangularité négative à différentes phases de fonctionnement ». La première phase, a déclaré Kaye, impliquera un plasma « très basique ». La deuxième phase consistera en des faisceaux neutres chauffant le plasma.
Par ailleurs, d'autres codes informatiques ont été utilisés pour évaluer la stabilité des futurs plasmas SMART par Berkery, l'ancien stagiaire de premier cycle John Labbate, qui est maintenant étudiant diplômé à l'Université de Columbia, et l'ancien étudiant diplômé de l'Université de Séville Jesús Domínguez-Palacios, qui a maintenant déménagé aux États-Unis
treprise. Un nouvel article de Domínguez-Palacios dans Nuclear Fusion traite de ce travail.
Concevoir des diagnostics pour le long terme
La collaboration entre SMART et PPPL s'est également étendue à l'un des principaux domaines d'expertise du laboratoire : les diagnostics, qui sont des appareils dotés de capteurs pour évaluer le plasma. Plusieurs de ces diagnostics sont en cours de conception par les chercheurs du PPPL. Les physiciens du PPPL Manjit Kaur et Ahmed Diallo, en collaboration avec Viezzer, dirigent par exemple la conception du diagnostic de diffusion Thomson du SMART.
Ce diagnostic mesurera avec précision la température et la densité des électrons du plasma pendant les réactions de fusion, comme le détaille un nouvel article publié dans la revue Review of Scientific Instruments. Ces mesures seront complétées par des mesures de température, de rotation et de densité des ions fournies par des diagnostics connus sous le nom de suite de spectroscopie de recombinaison par échange de charge développée par Alfonso Rodriguez-Gonzalez, étudiant diplômé de l'Université de Séville, Cruz-Zabala et Viezzer.
« Ces diagnostics peuvent fonctionner pendant des décennies, donc lorsque nous concevons le système, nous gardons cela à l'esprit », a déclaré Kaur. Lors du développement des conceptions, il était important que le diagnostic puisse gérer les plages de température que SMART pourrait atteindre dans les prochaines décennies et pas seulement les valeurs initiales basses, a-t-elle déclaré.
Kaur a conçu le diagnostic de diffusion Thomson dès le début du projet, en sélectionnant et en achetant ses différentes sous-parties, y compris le laser qui, selon elle, convenait le mieux à la tâche. Elle a été ravie de voir à quel point les tests laser se sont bien déroulés lorsque Gonzalo Jimenez et Viezzer lui ont envoyé des photos d'Espagne. Le test consistait à installer le laser sur un banc et à le tirer sur un morceau de parchemin spécial que les chercheurs appellent « papier brûlé ». Si le laser est bien conçu, les marques de brûlure seront circulaires avec des bords relativement lisses.
Les cercles blanc cassé ont été gravés dans le papier noir pour tester le laser pour le diagnostic de diffusion Thomson de SMART. Crédit : Université de Séville
« Les premiers résultats du test laser étaient tout simplement magnifiques », a-t-elle déclaré. « Nous attendons maintenant avec impatience de recevoir d'autres pièces pour que le diagnostic soit opérationnel. »
James Clark, un ingénieur de recherche du PPPL dont la thèse de doctorat portait sur les systèmes de diffusion Thomson, a ensuite été amené à travailler avec Kaur. « J'ai conçu le trajet laser et les optiques associées », a expliqué Clark. En plus de travailler sur le côté ingénierie du projet, Clark a également contribué à la logistique, en décidant comment et quand les choses devaient être livrées, installées et étalonnées.
Le responsable des projets avancés du PPPL, Luis Delgado-Aparicio, ainsi que Joaquin Galdon-Quiroga, boursier Marie Skłodowska-Curie, et Jesus Salas-Barcenas, étudiant diplômé de l'Université de Séville, dirigent les efforts visant à ajouter deux autres types de diagnostics à SMART : un diagnostic à rayons X mous multi-énergies (ME-SXR) et des spectromètres.
Le ME-SXR mesurera également la température et la densité des électrons du plasma, mais en utilisant une approche différente de celle du système de diffusion Thomson. Le ME-SXR utilisera des ensembles de petits composants électroniques appelés diodes pour mesurer les rayons X. Ensemble, le diagnostic par diffusion Thomson et le ME-SXR analyseront de manière exhaustive la température et la densité des électrons du plasma.
En observant les différentes fréquences de la lumière à l'intérieur du tokamak, les spectromètres peuvent fournir des informations sur les impuretés du plasma, telles que l'oxygène, le carbone et l'azote. « Nous utilisons des spectromètres du commerce et concevons des outils pour les intégrer à la machine, en incorporant des fibres optiques », a déclaré Delgado-Aparicio. Un autre nouvel article publié dans la Review of Scientific Instruments traite de la conception de ce diagnostic.
Le physicien de recherche du PPPL Stefano Munaretto a travaillé sur le système de diagnostic magnétique pour SMART avec le travail de terrain dirigé par Fernando Puentes del Pozo Fernando, étudiant diplômé de l'Université de Séville.
« Le diagnostic en lui-même est assez simple », a déclaré Munaretto. « Il s'agit simplement d'un fil enroulé autour de quelque chose. La majeure partie du travail consiste à optimiser la géométrie du capteur en corrigeant sa taille, sa forme et sa longueur, en sélectionnant son emplacement et en effectuant ensuite tout le conditionnement du signal et l'analyse des données. » La conception des aimants de SMART est détaillée dans un nouvel article également publié dans Review of Scientific Instruments.
unaretto a déclaré que travailler sur SMART a été très enrichissant, une grande partie de l'équipe travaillant sur les diagnostics magnétiques étant composée de jeunes étudiants ayant peu d'expérience dans le domaine. "Ils sont avides d'apprendre et ils travaillent beaucoup. Je leur vois sans aucun doute un brillant avenir".
Delgado-Aparicio est du même avis. "J'ai beaucoup aimé travailler avec Manuel Garcia-Munoz, Eleonora Viezzer et tous les autres scientifiques et professeurs très expérimentés de l'Université de Séville, mais ce que j'ai le plus apprécié, c'est de travailler avec le groupe d'étudiants très dynamique qu'ils ont là-bas", a-t-il déclaré.
"Ils sont brillants et m'ont beaucoup aidé à comprendre les défis auxquels nous sommes confrontés et comment progresser vers l'obtention des premiers plasmas".
Des chercheurs de l'Université de Séville ont déjà effectué un test dans le tokamak, affichant la lueur rose de l'argon lorsqu'il est chauffé par micro-ondes. Ce processus permet de préparer les parois internes du tokamak à un plasma beaucoup plus dense contenu à une pression plus élevée. Bien que techniquement, cette lueur rose provienne d'un plasma, sa pression est si basse que les chercheurs ne le considèrent pas comme leur premier véritable plasma de tokamak. Garcia-Mu
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COMMANTAIRES
L 'article n' annonce pas un resultat mais une collaboration accrue .Il est évident pour tout le monde que la domesdtication de la fusion nucléaire est un espoir pour l humanité ...Mais passer de la bombe a hydogène au moteur a fusion nucléaire recquiert comme l annonçait DE GENNES le frachissement de plusieurs obstacles à la fois ! Et la solution d un plasma VRAIMENT ''productif''' par confinement magnétique du genre tokamak n est pas la plus simple ....
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More information: M Podestà et al, NBI optimization on SMART and implications for scenario development, Plasma Physics and Controlled Fusion (2024). DOI: 10.1088/1361-6587/ad2edc
Jesús Dominguez-Palacios et al, MHD stability analysis against pressure and current-driven modes in the SMall Aspect Ratio Tokamak, Nuclear Fusion (2024). DOI: 10.1088/1741-4326/ad7fd3
M. Kaur et al, Design of a Thomson scattering diagnostic for the SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART), Review of Scientific Instruments (2024). DOI: 10.1063/5.0219308
J. Salas-Suárez-Bárcena et al, Radiated power and soft x-ray diagnostics in the SMART tokamak, Review of Scientific Instruments (2024). DOI: 10.1063/5.0219506
F. Puentes-del Pozo et al, Design and development of the magnetic diagnostic systems for the first operational phase of the SMART tokamak, Review of Scientific Instruments (2024). DOI: 10.1063/5.0219436
Journal information: Review of Scientific Instruments
Provided by Princeton Plasma Physics Laboratory
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