La filière tokamak

L’étude des plasmas obtenus dans les tokamaks actuels a pour but de prédire le comportement d’un plasma placé dans les conditions d’ignition, afin d’obtenir un chauffage du cœur par les réactions de fusion thermonucléaires. L’objectif de la fusion par confinement magnétique est d’entretenir ces réactions de fusion et d’utiliser l’énergie ainsi libérée.

L’équilibre magnétique d’un plasma de tokamak est complexe. Les mouvements du plasma ont une action sur le champ magnétique créant le confinement, par l’intermédiaire des courants qu’ils sont susceptibles de générer, et ces variations jouent elles-mêmes sur la dynamique du plasma par la force de Lorentz. L’étude de ces phénomènes se fait dans le cadre de la magnétohydrodynamique (MHD), en assimilant le plasma à un fluide conducteur caractérisé par une densité de masse, une pression, une vitesse et une densité de courant. La résolution des équations de la MHD permet d’établir la configuration d’équilibre du plasma et du champ magnétique. On observe ainsi l’existence de surfaces magnétiques fermées et emboîtées. Celles-ci peuvent avoir des formes complexes : leur section poloïdale n’est pas nécessairement circulaire et, du fait de l’existence d’une dérive de plasma vers l’extérieur du tore (décentrage de Shafranov), elles ne sont jamais concentriques.

Orbites de particules dans les tokamaks

Il est important d’établir dans un premier temps le mouvement d’une particule dans le champ électromagnétique d’un tokamak, afin de mettre en évidence quelques concepts fondamentaux dans l’étude d’un plasma de fusion magnétique : centre de guidage, mouvements parallèles et perpendiculaires, vitesses de dérives . . .

Instabilité du plasma

En fait des instabilités ou des perturbations extérieures conduisent les plasmas des tokamaks réels à s’écarter de la configuration idéale.
Le plasma du tokamak n’a pas exactement une forme torique. Afin de lui donner la forme que nous voulons et de maintenir ainsi sa stabilité, nous avons recours à des bobines poloïdales placées horizontalement autour du tore. La stabilité du plasma est très importante pour éviter les pertes de confinement.
Une petite perturbation non maîtrisée à temps peut s’accroître et mener à une disruption, c’est à dire une perte totale du confinement du plasma. Il suffit d’une variation partielle du courant induit dans le plasma pour déclencher une disruption. Une disruption a des conséquences sur les parties métalliques entourant le tokamak. Il faut alors s’efforcer d’utiliser des matériaux non-magnétiques et électriquement isolés. Une disruption implique également la décharge du plasma. Il faut toujours isoler les parties du tokamak avant son utilisation.

Le chauffage du plasma

Dans un plasma, les électrons et les ions sont libres de se mouvoir en tous sens. Un champ magnétique extérieur permet de confiner le plasma dans un cylindre. Les particules, électriquement chargées, suivent des trajectoires qui s’enroulent autour des lignes du champ magnétique. Le plasma peut cependant s’échapper aux extrémités.
Pour éviter que le plasma ne s’échappe aux extrémités du cylindre, on le renferme de manière à obtenir un anneau ou tore. Afin de confiner le plasma de façon stable dans cette configuration, il est nécessaire de rendre les lignes du champ magnétique hélicoïdales. Cela se fait dans le tokamak en induisant un courant électrique dans le plasma.
Trois méthodes sont principalement utilisées pour chauffer le plasma et atteindre des hautes températures. Le courant de plasma chauffe le plasma par effet Joule.
Complémentairement, on peut chauffer le plasma par ondes électromagnétiques ou par l’injection de particules neutres très énergétiques.
 Le chauffage ohmique : L’effet joule désigne le dégagement de chaleur de tout courant passant dans un conducteur. Or un courant circule dans le plasma et pour les mêmes raisons que la température d’un filament d’une ampoule augmente, le plasma gagne en température sous l’effet joule des Méga Ampères qui le traverse. Par analogie avec un fil conducteur, plus la température augmente, plus la résistance augmente et dès lors, la température limite, que le plasma peut atteindre grâce à son chauffage ohmique, n’est que d’une dizaine de millions de degrés (dix fois moins que la température requise).
 Il faut donc d’autres méthodes de chauffage pour amener le plasma aux températures de fusion. La deuxième méthode est l’injection de particules neutres.

Table des matières

Introduction
Bibliographie
Chapitre 1: Le mouvement de dérive dans les plasmas magnétisés 
1.1 Introduction
1.2 Propriété générales du mouvement d’une particule chargée
1.2.1 Les équations du mouvement
1.2.2 Les relations générales de conservation
1.3 Le mouvement dans un champ constant
1.3.1 Le mouvement parallèle
1.3.2 Le mouvement perpendiculaire
1.3.3 Les conséquences du mouvement de giration
1.4 Mouvement dans les champs constants et: la dérive
1.4.1 Effet du champ électrique parallèle
1.4.2 Effet d’un champ électrique perpendiculaire
1.5 Mouvement de dérive de gradient de B : la dérive
1.5.1 Gradient perpendiculaire à avec
1.5.2 Gradient perpendiculaire de avec B uniforme
1.6 Mouvement dans un champ magnétique incurvé : la dérive de courbure
1.7 Dérives combinées et dans un champ magnétique dans le vide
1.8 Mouvement dans les champs variables dans le temps et: la dérive de polarisation
1.8.1 La dérive de polarisation pour
1.8.2 La dérive de polarisation pour
1.9 Mouvement dans les champs de gradients parallèles, les miroirs  magnétiques
1.9.1 La formulation mathématique
1.9.2 Solution aux équations
1.9.3 L’effet de miroir et la machine à miroirs
Bibliographie
Chapitre 2: Ondes dans les plasmas magnétisés
2.1 Introduction
2.2 Plasma magnétisé
2.3 Applications des ondes de plasma
2.3.1 Ondes de plasma dans la physique ionosphérique
2.3.2 Ondes de plasma en astrophysique
2.3.3 Ondes de plasma dans les plasmas magnétisés de fusion
2.4 Quelques concepts de base d’onde
2.5 Les équations d’onde dans le plasma
2.6 Les ondes dans un plasma froid
2.6.1 Plasma dans un champ-libre
2.6.2 Propagation parallèle
2.6.3 Propagation perpendiculaire
2.6.4 Surfaces normale d’onde
2.6.5 Relations de dispersion pour la propagation oblique
2.7 Les ondes dans les plasmas chauds
2.7.1 D’ondes longitudinales
2.7.2 La relation de dispersion générale
Chapitre 3: Application des ondes et des dérives dans les plasmas de structure en TOKAMAK
3.1 Introduction
3.2 La fusion thermonucléaire
3.2.1 La physique de la fusion
3.2.2 Réaction de fusion et barrière coulombienne
3.2.3 Le temps de confinement et critère de Lawson
3.3 La filière tokamak
4.3 Orbites de particules dans les tokamaks
3.5 Instabilité du plasma
3.6 Le chauffage du plasma
3.6.1 Le chauffage par ondes électromagnétiques
3.7 La vitesse de dérive électrique dans un plasma de tokamak
3.7.1 La variation de la dérive du transport turbulent pour des plasmas magnétisés
3.7.2 Etude de la variation de la vitesse de dérive
3.7.3 Interprétation
3.8 Chauffage de plasma par ondes électromagnétique à la troisième harmonique de la fréquence cyclotron des électrons dans le tokamak TCV
3.8.1 Le Tokamak à Configuration Variable (TCV)
3.8.2 Chauffage des électrons par onde cyclotron électronique EC
3.8.3 Absorption des ondes dans un plasma chaud de TCV
Conclusion

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