A return to roots: Lab builds its first stellarator in 50 years and opens the door for research into new plasma physics
Un retour aux racines : le laboratoire construit sa première étoile en 50 ans et ouvre la porte à la recherche sur une nouvelle physique des plasmas
Par Raphael Rosen, Laboratoire de physique des plasmas de Princeton
Une photo de MUSE, le premier stellarator construit au PPPL en 50 ans et le premier à utiliser des aimants permanents. Crédit : Michael Livingston / Département des communications PPPL
Pour la première fois, des scientifiques ont construit une expérience de fusion utilisant des aimants permanents, une technique qui pourrait montrer un moyen simple de construire de futurs appareils à moindre coût et permettre aux chercheurs de tester de nouveaux concepts pour les futures centrales électriques à fusion.
Des chercheurs aux États-Unis Le laboratoire de physique des plasmas (PPPL) de Princeton du ministère de l'Énergie (DOE) a combiné des décennies d'expertise en ingénierie, calcul et physique théorique pour concevoir un nouveau type de stellarateur, une machine sinueuse qui confine le plasma, le quatrième état de la matière chargé électriquement, pour exploiter le processus de fusion qui alimente le soleil et les étoiles et génère potentiellement de l’électricité propre.
"L'utilisation d'aimants permanents est une toute nouvelle façon de concevoir des stellarateurs", a déclaré Tony Qian, étudiant diplômé du programme de physique des plasmas de Princeton, basé au PPPL. Qian est l'auteur principal d'articles publiés dans le Journal of Plasma Physics and Nuclear Fusion qui détaillent la théorie et l'ingénierie derrière le dispositif, connu sous le nom de MUSE. "Cette technique nous permet de tester rapidement de nouvelles idées de confinement du plasma et de construire facilement de nouveaux dispositifs."
Les stellarateurs s'appuient généralement sur des électro-aimants complexes qui ont des formes complexes et créent leurs champs magnétiques grâce au flux d'électricité. Ces électro-aimants doivent être construits avec précision avec très peu de marge d’erreur, ce qui augmente leur coût.
Cependant, les aimants permanents, comme les aimants qui maintiennent les œuvres d’art sur les portes des réfrigérateurs, n’ont pas besoin de courants électriques pour créer leurs champs. Ils peuvent également être commandés dans le commerce auprès de fournisseurs industriels, puis intégrés dans une coque imprimée en 3D autour de la cuve à vide de l'appareil, qui contient le plasma.
"MUSE est en grande partie construit avec des pièces disponibles dans le commerce", a déclaré Michael Zarnstorff, physicien de recherche principal au PPPL et chercheur principal du projet. "En travaillant avec des entreprises d'impression 3D et des fournisseurs d'aimants, nous pouvons magasiner et acheter la précision dont nous avons besoin au lieu de la fabriquer nous-mêmes."
L’idée originale selon laquelle les aimants permanents pourraient constituer la base d’une nouvelle variété stellaire plus abordable est venue à Zarnstorff en 2014. « J’ai réalisé que même s’ils étaient situés à côté d’autres aimants, les aimants permanents de terres rares pouvaient générer et maintenir les champs magnétiques nécessaires. pour confiner le plasma afin que des réactions de fusion puissent se produire", a déclaré Zarnstorff, "et c'est la propriété qui fait que cette technique fonctionne."
Inventés il y a plus de 70 ans par Lyman Spitzer, fondateur de PPPL, les stellarateurs ne sont qu’un concept parmi d’autres pour les installations de fusion. Un autre est le tokamak en forme de beignet ou de pomme évidée, comme le National Spherical Torus Experiment-Upgrade du PPPL, qui confine le plasma à l'aide d'aimants relativement simples. Pendant des décennies, cette conception a été préférée par les scientifiques du monde entier en raison de la manière dont les dispositifs confinent le plasma.
Cependant, les tokamaks s'appuient également sur des champs magnétiques créés par des courants électriques traversant le milieu du plasma, qui créent des stabilités qui interfèrent avec les réactions de fusion. Les stellarateurs peuvent cependant fonctionner sans de tels courants et peuvent donc fonctionner pendant des périodes de temps indéfinies. Mais leurs aimants complexes, difficiles à concevoir et à construire, font depuis des années que les stellarateurs ne constituent pas une option économique ou pratique pour les centrales électriques à fusion.
C'est pourquoi le succès de MUSE dans la démonstration que les stellarateurs peuvent fonctionner à l'aide de simples aimants est si important. "Les aimants stellaires typiques sont très difficiles à usiner car il faut le faire de manière très précise", a déclaré Amelia Chambliss, étudiante diplômée du département de physique appliquée et de mathématiques appliquées de l'université de Columbia, qui a contribué à la conception de MUSE lors d'un stage de laboratoire de premier cycle en sciences du DOE au PPPL. il y a quelques années. "L'idée selon laquelle nous pouvons utiliser de nombreux aimants discrets pour faire le travail est donc très excitante. C'est un problème d'ingénierie beaucoup plus simple."
Réalisation d'une propriété théorique
En plus d’être une percée technique, MUSE présente également une propriété théorique connue sous le nom de quasisymétrie à un degré plus élevé que tout autre stellarateur auparavant. Il s’agit également du premier dispositif réalisé n’importe où dans le monde qui a été conçu spécifiquement pour avoir un type de quasisymétrie connu sous le nom de quasi-axisymétrie.
Conçue par le physiologiste Allen Boozer du PPPL au début des années 1980, la quasisymétrie signifie que même si la forme du champ magnétique à l'intérieur du stellarateur peut ne pas être la même autour de la forme physique du stellarateur, la force du champ magnétique est uniforme autour de l'appareil, ce qui conduit à Bon confinement du plasma et probabilité plus élevée que des réactions de fusion se produisent. "En fait, l'optimisation de la quasi-symétrie de MUSE est au moins 100 fois meilleure que celle de n'importe quel stellarator existant", a déclaré Zarnstorff.
"Le fait que nous ayons pu concevoir et construire cette étoile est une véritable réussite", a déclaré Qian.
À l'avenir, l'équipe PPPL prévoit de mener une série d'expériences pour déterminer la nature exacte de la quasi-symétrie de MUSE et ainsi déterminer dans quelle mesure le dispositif empêche les particules chaudes de se déplacer du cœur du plasma vers les bords, rendant ainsi les réactions de fusion plus difficiles. . Les méthodes incluront la cartographie plus précise des champs magnétiques et la mesure du ralentissement du plasma en rotation, qui dépend de la quasi-symétrie du dispositif.
MUSE démontre le type d’innovation possible aux États-Unis. laboratoire national. "Pour moi, la chose la plus importante à propos de MUSE est qu'elle représente une manière créative de résoudre un problème difficile", a déclaré Chambliss. "Il utilise de nombreuses approches ouvertes et innovantes pour résoudre des problèmes stellaires de longue date. Tant que la communauté continuera à penser de cette manière flexible, nous serons en bonne forme."
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COMMENTAIRES
J ai déjà indiqué ici pourquoi en matière d expérimentation en fusion nucléaire des éléments légers je ne croyais au confiment magnétique que pour les études sur la stabilité des plasmas mais pas pour un développement industriel .... E t voici poutquoi ;
1/ Quel est l aimant permanent le plus puissant au monde ,,,
Super Aimants en néodyme: Aimant permanent Magnet permanent ultra fort en néodyme (NdFeB), ferrite et AlNiCo, les aimants permanents les plus forts au monde.
2/
Quel est le plus gros aimant du monde ?
Cet aimant, appelé Central Solenoid ou solénoïde central, sera constitué de six modules d'ici 2024 : il pèsera alors 1 000 t, mesurera 4,25 m de large et fera la taille d'un immeuble de sept étages (18 m de haut).Sep 8, 2021
J e suis tres sensible au décofinement du plasma obsevé dane champ magnétique du soleil et a ses conséquences ; et aussi trés receptif aux arguments de Pierre gIlles de GENNE quand cela se produit ...
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More information:
T.M. Qian et al, Design and construction of the MUSE permanent magnet stellarator,
T. Qian et al, Simpler optimized stellarators using permanent magnets, Nuclear Fusion (2022). DOI: 10.1088/1741-4326/ac6c99
Provided by Princeton Plasma Physics Labor
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