Un aspirateur à deux boutons : comment le plasma dans un tokamak rassemble lui-même les particules vers le centre
Un aspirateur aspire la poussière, même si elle est plus abondante près du suceur. Il en va de même dans un tokamak : les particules de plasma sont attirées vers le centre, alors que leur densité est plus élevée au bord. Ce phénomène est appelé « pinch de particules », et il contredit la règle habituelle selon laquelle tout tend à se déplacer d'une zone dense vers une zone raréfiée.
Les scientifiques ont simulé le bord du plasma dans l'installation Alcator C-Mod et ont observé comment, à partir d'un profil de densité plat, un pic se forme au centre en quelques millisecondes. L'aspirateur s'active tout seul, sans commande externe. D'abord, c'est la turbulence qui travaille : les tourbillons de plasma transportent les particules vers l'intérieur lorsque la température augmente vers le bord et que la densité augmente vers le centre. C'est comme si, dans une foule, les gens se passaient les uns les autres dans la bonne direction, alors que chaque pas est aléatoire.
Le deuxième mécanisme s'est révélé inattendu. La théorie habituelle dit que le champ électrique devrait pousser les particules vers l'extérieur ou ne pas agir du tout. Mais dans le modèle, on a pris en compte la résistance du plasma et l'inertie des électrons, et le champ a acquis un léger décalage, suffisant pour aspirer les particules. C'est comme si on découvrait un deuxième bouton sur l'aspirateur, dont on ignorait l'existence.
L'expérience de contrôle a confirmé l'hypothèse : lorsqu'on a supprimé le transport de chaleur perpendiculaire au champ, le pic de densité a disparu. Cela signifie que c'est précisément l'inhomogénéité du chauffage qui crée l'asymétrie qui active l'aspirateur. On pensait auparavant qu'un tel effet n'était possible que dans le chaos turbulent, mais on voit maintenant qu'un champ calme peut aussi fonctionner.
Ce résultat est important pour les réacteurs de fusion. Pour confiner le plasma, il faut savoir où se trouveront les particules de combustible. Si l'aspirateur fonctionne toujours, on peut prédire plus précisément le profil de densité et mieux concevoir les futures installations. L'aspirateur s'est avéré être non pas un jouet, mais un outil de travail.
Dans la simulation, les particules « nagent à contre-courant » : elles se déplacent du bord vers le centre, alors que le gradient de densité est initialement dirigé vers l'extérieur. Ce transport contre-intuitif est possible grâce à la corrélation entre les fluctuations de densité et le champ électrique, et non à la diffusion ordinaire.
L'idée d'une compression spontanée du plasma vers le centre fait écho au concept de « pince » dans la science-fiction, par exemple dans le roman de Larry Niven « L'Anneau-Monde », où des champs magnétiques confinent le plasma dans un réacteur.