Essais & Simulations n°133

Essais

Essais et modélisation Jeffrey Doody Jeffrey Doody est ingénieur en mécanique au MIT Plasma Science and Fusion Center. Il est photographié ici à la Comsol Conference 2015 à Boston, où il a remporté un prix pour son travail de simulation. Étoiles artificielles Évaluation de l’intégrité structurelle des machines de fusion nucléaire à haute performance pour la production d’électricité Les chercheurs du MIT Plasma Science and Fusion Center utilisent la simulation numérique pour évaluer et optimiser la conception envisagée de l’expérience « Advanced Divertor » - un dispositif compact de fusion nucléaire qui reflète la puissance d’un réacteur à taille réelle dans un banc d’essai de R&D. La fusion nucléaire se produit naturellement au cœur du soleil, libérant d’énormes quantités d’énergie rayonnantes au fur et à mesure que la masse diminue et que les noyaux d’hydrogène fusionnent pour former de plus grands atomes d’hélium. Nous recevons cette énergie sur Terre sous forme de lumière, malgré une distance moyenne de 149 millions de kilomètre. La démonstration que la fusion de l’hydrogène peut être une source d’énergie propre, sûre et presqu’illimitée, a été l’objectif principal de plus de cinquante ans de recherches internationales. Au MIT, les recherches se sont concentrées principalement sur une approche avec un champ magnétique très intense. Au Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT, expérimentation, théorie et simulation numérique ont été combinées pour identifier et comprendre les sciences et les technologies qui peuvent rendre l’énergie de fusion disponible plus tôt. L’Advanced Divertor eXperiment (ADX) est une expérience de fusion nucléaire, et plus particulièrement un tokamak, proposé par des chercheurs du PSFC pour fournir des flux de chaleur, des densités et des températures similaires à ce que nous nous attendons à observer dans un réacteur de fusion, avec seulement de courtes décharges de plasma (voir la Figure 1). Figure 1 Schéma du projet de tokamak ADX du MIT PSFC. 22I ESSAIS & SIMULATIONS • N°133 • mai-juin 2018

Essais et modélisation Dans un tokamak, des températures supérieures à 150 millions de degrés Celsius provoquent la séparation des électrons des noyaux, ce qui forme un plasma surchauffé entièrement ionisé à partir d’un combustible hydrogène gazeux. Le cœur du plasma est contenu dans un récipient sous vide toroïdal ou en forme d’anneau et est maintenu à haute pression pour produire un plasma dense avec une probabilité élevée de collision. Les champs magnétiques externes confinent et contrôlent le plasma d’une manière analogue aux champs gravitationnels intenses au cœur du soleil, produisant ainsi une fusion nucléaire. « Les progrès récents dans les supraconducteurs à haute température pourraient nous permettre de concevoir un tokamak qui fonctionne à des champs magnétiques plus élevés, hissant ainsi les performances du plasma à celles du niveau des réacteurs, explique Jeffrey Doody, ingénieur en mécanique au PSFC. L’objectif des recherches passera ensuite de l’amélioration de la performance du plasma aux systèmes de support dans le tokamak. » À l’aide de la simulation numérique, Jeffrey Doody et ses collègues conçoivent la structure ADX pour obtenir et maintenir des flux de chaleur et des champs magnétiques au niveau de celui des réacteurs, ce qui en fait un banc d’essai adapté pour les systèmes d’échappement et les interactions plasma-matériau. Tout ceci afin de permettre la prochaine étape de développement des machines à fusion. Figure 2 Schéma du tokamak ADX proposé par le PSFC du MIT. « Pour évaluer la conception du récipient ADX proposé, nous effectuons une simulation numérique dans le logiciel Comsol Multiphysics afin de prévoir les champs magnétiques, les courants de Foucault et les forces de Lorentz qui résultent d’une perturbation du plasma, explique Doody. Les charges calculées sont ensuite appliquées à un modèle mécanique du récipient, afin de prévoir les contraintes et les déplacements. » La Figure 3 montre la géométrie d’un modèle magnétique à symétrie cyclique de l’ADX, dont le récipient, le plasma et les bobines magnétiques poloïdales, nécessaires pour maintenir le plasma dans sa position d’équilibre. Survivre au plasma La conception proposée pour le récipient sous vide ADX est innovante dans le sens où il est composé de cinq enveloppes axisymétriques distinctes, comme le montre la figure 2, au lieu d’un seul cylindre. La conception modulaire permet d’échanger les bobines magnétiques et de tester différentes configurations du divertor. Le divertor est un composant qui sert de système d’échappement pour retirer les cendres de fusion du tokamak. Lorsque les ions échappent au confinement des champs magnétiques qui contrôlent le plasma, le divertor les récupère et les conduit hors du récipient. Le récipient modulaire doit non seulement supporter les flux thermiques élevés et les champs magnétiques nécessaires pour produire la fusion nucléaire, mais doit aussi survivre aux perturbations du plasma, qui sont une autre source de contraintes dans l’enveloppe sous vide du réacteur, générées par l’effondrement du plasma. ESSAIS & SIMULATIONS • N°133 • mai-juin 2018 I23