SCIENCES.ENERGIES.ENVIRONNEMENT/LE MONDE SELON LA PHYSIQUE /WEKK21P1

Délaissant  les énigmes de la matière noire  discutées  avec PEPPER   et commentées par DOMINIQUE MAREAU ,je vous propose aujourd’hui une traduction d’une des découvertes adressées récemment  par  PHYS ORG/ SCIENCE X

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Discovery about the edge of fusion plasma could help realize fusion power

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L’étude des  bords  du plasma de fusion pourrait aider   à atteindre  la puissance nécessaire à la   fusion nucléaire

par John Greenwald, Princeton Plasma Physics Laboratory

Un obstacle majeur à la production d'énergie d’une  fusion sûre, propre et abondante sur Terre est le manque de compréhension détaillée du comportement du gaz plasmatique chaud et chargé qui alimente les réactions de fusion au bord des installations de fusion appelées "tokamaks". Des percées récentes réalisées par des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) ont permis de mieux comprendre le comportement du bord de plasma très complexe des tokamaks en forme de beignet  , et   à se mettre sur la route de la capture de l'énergie de fusion qui alimente le soleil et étoiles. La compréhension de cette région périphérique sera particulièrement importante pour l'exploitation d'ITER, l'expérience internationale de fusion en cours de construction en France pour démontrer le caractère pratique de l'énergie de fusion

L'une des premières découvertes a été la découverte que la prise en compte des fluctuations turbulentes des champs magnétiques qui confinent le plasma qui alimente les réactions de fusion peut réduire considérablement le flux des particules turbulentes près du bord du plasma. Les simulations informatiques montrent que le flux net de particules peut descendre jusqu'à 30%, malgré le fait que l'amplitude moyenne de la fluctuation de la densité des particules turbulentes augmente de 60%, ce qui indique que même si les fluctuations de la densité turbulente deviennent  plus virulentes, elles déplacent moins efficacement les particules hors de l'appareil.

Les chercheurs ont développé un code spécialisé appelé "Gkeyll" - prononcé comme "Jekyll" dans "The Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde" de Robert Louis Stevenson - qui rend ces simulations réalisables. Le code mathématique, une forme de modélisation appelée «gyrocinétique», simule l'orbite des particules de plasma autour des lignes de champ magnétique au bord d'un plasma de fusion.

"Notre récent article résume les efforts du groupe Gkeyll dans le domaine de la simulation gyrocinétique", a déclaré le physicien PPPL Ammar Hakim, auteur principal d'un article sur la physique des plasmas qui donne un aperçu des réalisations du groupe, sur la base d'une conférence qu'il a prononcée à l'American Conférence de la Division de physique des plasmas (APS-DPP) de la Physical Society l'automne dernier. La recherche, co-écrite par des scientifiques de six institutions, adapte un algorithme de pointe au système gyrocinétique pour développer les "percées numériques clés nécessaires pour fournir des simulations précises", a déclaré Hakim.

De telles percées font partie de l'effort mondial pour atteindre a science   nécessaire  pourla production de réactions de fusion sur Terre. Les réactions de fusion combinent des éléments légers sous forme de plasma - l'état chaud et chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques qui constituent 99% de l'univers visible - pour générer d'énormes quantités d'énergie qui pourraient fournir une alimentation électrique pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité pour l'humanité.

Noah Mandell, un étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de l'Université de Princeton, s'est appuyé sur les travaux de l'équipe pour développer le premier code gyrocinétique capable de gérer les fluctuations magnétiques dans ce qu'on appelle la couche de grattage au plasma (SOL) au bord des plasmas de tokamak. . Le British Journal of Plasma Physics a publié et mis en évidence son rapport en tant qu'article vedette.

Mandell explore comment la turbulence du plasma  plie les lignes de champ magnétique, conduisant à une ynamique des «lignes de champ dansantes». Il constate que les lignes de champ se déplacent généralement en douceur, mais que la danse peut se reconfigurer brusquement en événements de reconnexion qui les font converger et se séparer violemment.

Les découvertes de Mandell sont mieux décrites comme une "preuve de concept" en ce qui concerne les fluctuations magnétiques, a-t-il dit. "Nous savons qu'il y a plus d'effets physiques qui doivent être ajoutés au code pour des comparaisons détaillées avec des expériences, mais déjà les simulations montrent des propriétés intéressantes près du bord du plasma", a-t-il déclaré. "La capacité à gérer la flexion des lignes de champ magnétique sera également essentielle pour les futures simulations de modes localisés de bord (ELM),  et que nous aimerions mieux comprendre les explosions de chaleur qu'elles provoquent et qui doivent être contrôlées pour éviter les dommages au tokamak." "

Ce qui rend cette découverte unique, c'est que les codes gyrocinétiques précédents ont simulé des taches SOL mais ont supposé que les lignes de champ étaient rigides, a noté Mandell. L'extension d'un code gyrocinétique pour calculer le mouvement des lignes de champs magnétiques est très difficile à calculer, nécessitant des algorithmes spéciaux pour garantir que deux termes importants s'équilibrent avec une précision meilleure que 1 partie sur un million.

De plus, alors que les codes qui modélisent la turbulence dans le cœur du tokamak peuvent inclure des fluctuations magnétiques, ces codes ne peuvent pas simuler la région SOL. "Le SOL nécessite des codes spécialisés comme Gkeyll qui peuvent gérer des fluctuations de plasma et des interactions beaucoup plus importantes avec les parois du réacteur", a déclaré Mandell.

Les prochaines étapes pour le groupe Gkeyll comprendront l'étude du mécanisme physique précis qui affecte la dynamique du bord du plasma, un effet probablement lié aux lignes de champ de flexion. "Ce travail fournit des tremplins qui, je pense, sont très importants", a déclaré Hakim. "Sans les algorithmes que nous avons créés, ces résultats seraient très difficiles à appliquer à ITER et à d'autres machines."

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Explore further

New explanation for sudden collapses of heat in plasmas can help create fusion energy on Earth

More information: N. R. Mandell et al, Electromagnetic full- gyrokinetics in the tokamak edge with discontinuous Galerkin methods, Journal of Plasma Physics (2020). DOI: 10.1017/S0022377820000070

Provided by Princeton Plasma Physics Laboratory

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 MES COMMENTAIRES

Je suppose que mes lecteurs sont au courant  des manips faites sur les divers tokamaks , ces appareils qui accélèrent  des mélanges   gazeux   d’ éléments légers maintenus  ensuite   en confinant magnétiquement  les plasmas réalisés .VOIR MA PHOTO

.L’article souligne  que des codes basés  sur  études mathématiques  et comprenant des algorithmes  sont nécessaires   pour expliquer ce qui se produit    aux bordures de ces plasmas   (… a savoir des pertes et des incidents) …..et en quelque sorte    sont  néfastes a l’atteinte des très hautes températures nécessaires à la fusion  … Mes lecteurs trouveraient  dans les archives de ce blog la description des performances réalisées jusqu’à aujourd’hui

Je ne vous ai pas reproduit les  photos des lignes de champ proposées par les auteurs, qui sne sont que des résultats de calcul

L’article souligne qu’ expérimentations et calculs   doivent conduire à des campagnes successives  et à un ajustement complexe et progressif  des codes