De nouvelles connaissances sur les voies thermiques améliorent la compréhension du plasma de fusion

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En raison des grandes différences de masse entre les électrons et les ions, la diffusion de chaleur dans les plasmas d’électrons-ions présente un comportement plus complexe que la simple diffusion de chaleur trouvée dans les mélanges gazeux typiques. En particulier, la chaleur est diffusée dans deux canaux distincts mais couplés. Les modèles conventionnels à un seul fluide négligent la complexité qui en résulte et peuvent souvent interpréter de manière inexacte les résultats des expériences d’impulsions de chaleur. Cependant, en reconnaissant la sensibilité de l’évolution de la température des électrons à la diffusivité des ions, une nouvelle étude montre que non seulement les expériences précédentes peuvent être interprétées correctement, mais que des mesures simultanées informatives peuvent être aussi effectuées à la fois sur les canaux thermiques ioniques et électroniques.


Une installation de fusion de haute technologie est comme un thermos: les deux gardent leur contenu aussi chaud que possible. Les installations de fusion confinent le gaz chargé électriquement appelé plasma à des températures 10 fois plus élevées que le soleil, et le maintenir chaud est essentiel pour alimenter les réactions de fusion que les scientifiques cherchent à exploiter pour créer une source d’énergie propre et abondante pour produire de l’électricité.

A présent, des chercheurs du laboratoire de physique du plasma de Princeton (PPPL) du département américain de l’Énergie (DOE) ont apporté des modifications simples aux équations qui modélisent le mouvement de la chaleur dans le plasma. Les changements améliorent les connaissances qui pourraient aider les ingénieurs à éviter les conditions qui pourraient entraîner des pertes de chaleur dans les futures installations de fusion. La fusion, la puissance qui entraîne le soleil et les étoiles, combine des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composé d’électrons libres et de noyaux atomiques – qui génère des quantités massives d’énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour une réserve d’énergie pratiquement inépuisable pour produire de l’électricité.

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“L’ensemble de l’approche de la fusion par confinement magnétique se résume essentiellement à maintenir un plasma avec des champs magnétiques, puis à le chauffer le plus possible en maintenant la chaleur confinée”, a déclaré Suying Jin, étudiante diplômée du programme de Princeton pour la physique des plasmas et auteur principal de un article rapportant les résultats dans Physical Review E. “Pour atteindre cet objectif, nous devons fondamentalement comprendre comment la chaleur se déplace à travers le système”.

Les scientifiques utilisaient une technique d’analyse qui supposait que la chaleur circulant parmi les électrons n’était pratiquement pas affectée par la chaleur circulant parmi les ions beaucoup plus gros, a déclaré Jin. Mais elle et ses collègues ont découvert que les deux voies de la chaleur interagissent en fait d’une manière qui peut profondément affecter la façon dont les mesures sont interprétées. En permettant cette interaction, les scientifiques peuvent mesurer les températures des électrons et des ions avec plus de précision. Ils peuvent également déduire des informations sur une voie à partir des informations sur l’autre. “Ce qui est excitant à ce sujet, c’est que cela ne nécessite pas d’équipement différent”, a déclaré Jin. “Vous pouvez faire les mêmes expériences, puis utiliser ce nouveau modèle pour extraire beaucoup plus d’informations à partir des mêmes données”.

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Jin s’est intéressé au flux de chaleur lors de recherches antérieures sur les îlots magnétiques, des gouttes de plasma formées à partir de champs magnétiques tourbillonnants. La modélisation de ces taches dépend de mesures précises du flux de chaleur. “Ensuite, nous avons remarqué des lacunes dans la façon dont d’autres personnes avaient mesuré le flux de chaleur dans le passé”, a déclaré Jin. “Ils avaient calculé le mouvement de la chaleur en supposant qu’elle ne se déplaçait que par un seul canal. Ils n’ont pas tenu compte des interactions entre ces deux canaux qui affectent la façon dont la chaleur se déplace à travers le système plasma. Cette omission a conduit à la fois à des interprétations incorrectes des données pour une espèce et à des occasions manquées d’obtenir de plus amples informations sur le flux de chaleur à travers les deux espèces”.

Le nouveau modèle de Jin fournit de nouvelles informations qui n’étaient pas disponibles auparavant. “Il est généralement plus facile de mesurer le transport thermique des électrons que de mesurer le transport thermique des ions”, a déclaré le physicien PPPL Allan Reiman, co-auteur de l’article. “Ces découvertes peuvent nous donner une pièce importante du puzzle d’une manière plus facile que prévu.”

“Il est remarquable que même un couplage minimal entre les électrons et les ions puisse modifier profondément la façon dont la chaleur se propage dans le plasma”, a déclaré Nat Fisch, professeur de sciences astrophysiques à l’Université de Princeton et co-auteur de l’article. «Cette sensibilité peut maintenant être exploitée pour éclairer nos mesures». Le nouveau modèle sera utilisé dans de futures recherches. “Nous envisageons de proposer une autre expérience dans un avenir proche, et ce modèle nous donnera quelques boutons supplémentaires à tourner pour comprendre les résultats”, a déclaré Reiman. “Avec le modèle de Jin, nos inférences seront plus précises. Nous savons maintenant extraire les informations supplémentaires dont nous avons besoin.

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S. Jin, A. H. Reiman, and N. J. Fisch, “Coupled heat pulse propagation in two-fluid plasmas”, Phys. Rev. E 103, 053201 – Published 4 May 2021

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