Qu'est-ce que la triangularité négative ?
Dans un tokamak, la section du plasma n'est pas parfaitement circulaire. La plupart des machines actuelles utilisent une forme en « D » orientée vers l'extérieur du « tore » (ou anneau) ; on parle alors de triangularité positive (PT). À l'inverse, dans une configuration à triangularité négative (NT), cette forme est inversée et le plasma est davantage courbé vers l'intérieur.
Des expériences réalisées sur les tokamaks TCV en Suisse et DIII-D aux États-Unis ont montré que cette géométrie particulière peut réduire le niveau de turbulence du plasma. La chaleur est reste alors mieux confinée, ce qui est essentiel pour le maintien des réactions de fusion. C'est pourquoi la triangularité négative est aujourd'hui considérée comme une piste prometteuse pour les futures centrales à fusion.
Comparaison des fluctuations de densité dans une configuration à triangularité négative (gauche, NT), et à triangularité positive (droite, PT).
Un moyen de limiter les instabilités de bord
La triangularité négative présente également un autre avantage important : la réduction des ELMs (Edge Localized Modes, instabilités localisées de bord). Ces instabilités se traduisent par des expulsions brutales de chaleur et de particules vers les parois du tokamak, pouvant endommager les matériaux. Elles sont généralement associées au mode de confinement amélioré, appelé mode H, dans les plasmas à triangularité positive.
La configuration NT pourrait permettre d'atteindre des performances comparables sans générer ces instabilités, ce qui améliorerait à la fois la durée de vie des composants exposés au plasma et la fiabilité de la centrale.
Des simulations avancées grâce au code JOREK-GK
La plupart des tokamaks actuels ont en effet été conçus autour de la triangularité positive, qui maximise le volume du plasma dans les régions où le champ magnétique est le plus intense. Pour mieux comprendre les effets de la triangularité négative, les chercheurs ont mené de nombreuses études théoriques et simulations numériques ces dernières années.
Les résultats présentés dans une étude récente reposent sur le code gyrocinétique global JOREK-GK, développé notamment au CEA-IRFM.
Ce code, exécuté sur des supercalculateurs (HPC), utilise une approche dite « Particle-In-Cell » (PIC) dans laquelle ions et électrons sont représentés par des particules évoluant dans des champs électriques et magnétiques. Cette approche permet de simuler de manière réaliste la turbulence dans tout le plasma, y compris dans la région périphérique appelée Scrape-Off Layer (SOL), où une partie de la chaleur et des particules est évacuée vers les parois. Cette description globale est essentielle pour comprendre les mécanismes de transport de chaleur au bord du plasma.
Une turbulence plus faible et un meilleur confinement
Les simulations ont comparé des plasmas à triangularité positive et négative reproduisant les conditions expérimentales du tokamak DIII-D. Les résultats confirment que la configuration NT réduit les pertes de chaleur par rapport à la configuration PT, même lorsque les profils de plasma sont identiques.
Cette amélioration semble liée à des écoulements internes appelés flux zonaux. Dans les plasmas à triangularité négative, ces flux sont plus intenses et présentent un cisaillement plus marqué. Ils agissent comme un mécanisme de régulation de la turbulence, ce qui permet de mieux retenir la chaleur dans le plasma.
Les simulations montrent également que les fluctuations de densité dans les plasmas à triangularité positive s'étendent sur des distances plus importantes, signe d'une turbulence plus forte. À l'inverse, les plasmas à triangularité négative présentent des structures turbulentes plus limitées et donc un transport de chaleur réduit.
Les deux configurations suivent globalement une même loi de confinement, mais la triangularité négative offre systématiquement un meilleur confinement pour des paramètres de plasma équivalents. Ces résultats renforcent l'idée que cette géométrie pourrait constituer une solution attractive pour les futures centrales à fusion, en combinant un bon confinement de l'énergie avec une réduction des ELMs.