L’asymétrie entre les flux de particules turbulentes de deutérium (D) et de tritium (T) dans des plasmas mixtes D–T mieux comprise en simulations

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Une équipe a modélisé la turbulence du plasma sur le superordinateur le plus rapide du pays pour mieux comprendre le comportement du plasma.


Une visualisation des fluctuations de densité deutérium-tritium dans un tokamak entraîné par la turbulence. Les zones rouges sont représentatives d’une densité élevée et les zones bleues sont représentatives d’une faible densité. Crédit d’image : © Emily Belli, General Atomics.

Le même processus qui alimente les étoiles pourrait un jour être utilisé pour générer des quantités massives d’énergie ici sur Terre. La fusion nucléaire, dans laquelle les noyaux atomiques fusionnent pour former des noyaux plus lourds et libérer de l’énergie au cours du processus, promet d’être une forme d’énergie à long terme, durable et sûre. Mais les scientifiques essaient toujours d’affiner le processus de création d’une puissance de fusion nette. Une équipe dirigée par la physicienne informatique Emily Belli de General Atomics a utilisé le supercalculateur Summit de 200 pétaflops à l’Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie des États-Unis (DOE) au Oak Ridge National Laboratory (ORNL ), pour simuler la perte d’énergie dans les plasmas de fusion. L’équipe a utilisé Summit pour modéliser la turbulence du plasma, le mouvement instable du plasma, dans un dispositif de fusion nucléaire appelé tokamak.

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Les simulations de l’équipe aideront à éclairer la conception de dispositifs de fusion de nouvelle génération avec des propriétés de confinement optimales. Les informations peuvent également éclairer les opérations d’ITER, qui sera le plus grand tokamak au monde et est actuellement en construction en France. “La turbulence est le principal mécanisme par lequel les pertes de particules se produisent dans le plasma”, a déclaré Belli. “Si vous voulez générer un plasma avec de très bonnes propriétés de confinement et une bonne puissance de fusion, vous devez minimiser les turbulences. La turbulence est ce qui déplace les particules et l’énergie hors du noyau chaud où se produit la fusion”. Les résultats de la simulation, qui ont été publiés dans Physics of Plasmas plus tôt cette année, ont fourni des estimations des pertes de particules et de chaleur à prévoir dans les futurs tokamaks et réacteurs. Les résultats aideront les scientifiques et les ingénieurs à comprendre comment réaliser les meilleurs scénarios de fonctionnement dans des tokamaks réels.

Un numéro d’équilibriste

Dans la fusion qui se produit dans des étoiles comme notre soleil, deux ions hydrogène (c’est-à-dire des particules de protons chargées positivement) fusionnent pour former des ions hélium. Cependant, lors d’expériences sur Terre, les scientifiques doivent utiliser des isotopes d’hydrogène pour créer une fusion. Chaque isotope d’hydrogène a une particule de proton chargée positivement, mais des isotopes différents portent un nombre différent de neutrons. Ces particules neutres n’ont pas de charge, mais elles ajoutent de la masse à l’atome.Traditionnellement, les physiciens ont utilisé du deutérium pur – un isotope de l’hydrogène avec un neutron – pour générer la fusion. Le deutérium est facilement disponible et plus facile à manipuler que le tritium, un isotope de l’hydrogène avec deux neutrons. Cependant, les physiciens savent depuis des décennies que l’utilisation d’un mélange de 50 pour cent de deutérium et de 50 pour cent de tritium donne le rendement de fusion le plus élevé à la température la plus basse.

“Même s’ils savent que ce mélange donne la plus grande quantité de sortie de fusion, presque toutes les expériences des dernières décennies n’ont utilisé que du deutérium pur”, a déclaré Belli. Les expériences utilisant ce mélange n’ont été faites que quelques fois au cours des dernières décennies. La dernière fois que cela a été fait, c’était il y a plus de 20 ans. Pour garantir que le plasma est confiné dans un réacteur et que l’énergie n’est pas perdue, le deutérium et le tritium dans le mélange doivent avoir des flux de particules égaux, un indicateur de densité. Les scientifiques visent à maintenir une densité de 50-50 dans tout le cœur du tokamak. “Vous voulez que le deutérium et le tritium restent dans le cœur chaud pour maximiser la puissance de fusion”, a dit Belli.

Les supercalculateurs alimentent les simulations de fusion

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Pour étudier le phénomène, l’équipe a concouru et remporté des allocations de calcul sur Summit à travers deux programmes d’allocation à l’OLCF. Il s’agissait des programmes Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, ou ALCC, et des programmes Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, ou INCITE. Les chercheurs ont modélisé la turbulence plasma sur Summit à l’aide du code CGYRO co-développé par Jeff Candy, directeur de la théorie et des sciences informatiques à General Atomics et co-chercheur principal du projet. CGYRO a été développé en 2015 à partir du code de physique numérique des plasmas hérité de GYRO. Les développeurs ont conçu CGYRO pour qu’il soit compatible avec le système Summit de l’OLCF, qui a fait ses débuts en 2018.

“Nous avons réalisé en 2015 que nous voulions mettre à niveau nos modèles pour mieux gérer ces régimes de plasma auto-entretenus et pour gérer les multiples échelles qui surviennent lorsque vous avez différents types d’ions et d’électrons, comme dans ces plasmas deutérium-tritium”, a déclaré Belli. Il est devenu clair que si nous voulions mettre à jour nos modèles et les optimiser pour les architectures de nouvelle génération, alors nous devrions commencer à partir de zéro et réécrire complètement le code. C’est donc ce que nous avons fait”. Avec Summit, l’équipe pourrait inclure les deux isotopes (deutérium et tritium) dans leurs simulations. “Jusqu’à présent, presque toutes les simulations n’ont inclus qu’un de ces isotopes, soit le deutérium ou le tritium”, a expliqué Belli. “La puissance de Summit nous a permis d’inclure les deux espèces en tant que deux espèces distinctes, de modéliser toutes les dimensions du problème et de le résoudre à différentes échelles temporelles et spatiales”.

Impacts

Des expériences utilisant des mélanges combustibles deutérium-tritium sont maintenant menées pour la première fois depuis 1997 au Joint European Torus (JET), une installation de recherche sur la fusion au Culham Center for Fusion Energy dans l’Oxfordshire, au Royaume-Uni. Les expériences à l’installation JET aideront les scientifiques et les ingénieurs à développer des pratiques de contrôle du carburant pour maintenir un rapport 50-50 de deutérium sur tritium. Belli a déclaré que ce serait probablement la dernière fois que des expériences deutérium-tritium seraient menées jusqu’à ce qu’ITER, le plus grand tokamak au monde, soit construit. “L’équipe expérimentale obtient des résultats au moment où nous parlons, et dans les prochains mois, les données seront analysées”, a déclaré Belli.

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Les résultats donneront aux scientifiques une meilleure idée du comportement du combustible deutérium-tritium pour un réacteur à fusion pratique. “Ce carburant vous donne le rendement de fusion le plus élevé à la température la plus basse, vous n’avez donc pas besoin de le chauffer aussi chaud pour en tirer une énorme quantité de puissance de fusion”, a précisé Belli. “Parce que cela fait si longtemps que ce genre d’expériences n’a pas été fait, nos simulations sont importantes pour prédire le comportement de ce mélange de carburant pour planifier ITER. Summit nous donne le pouvoir de faire exactement cela”.

Voir la Publication

Emily A. Belli and Jeff Candy, “Asymmetry between Deuterium and Tritium Turbulent Particle Flows”, Physics of Plasmas  28, 062301 (2021), doi:10.1063/5.0048620.

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