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Systèmes de chauffage externes

La Machine

Le tokamak ITER combinera trois sources de chauffage externe pour porter le plasma à la température permettant la fusion : l'injection de neutres et deux sources d'ondes électromagnétiques de haute fréquence (chauffage cyclotronique ionique et électronique). (Click to view larger version...)
Le tokamak ITER combinera trois sources de chauffage externe pour porter le plasma à la température permettant la fusion : l'injection de neutres et deux sources d'ondes électromagnétiques de haute fréquence (chauffage cyclotronique ionique et électronique).
Pour permettre au gaz présent dans la chambre à vide d'atteindre l'état de plasma et à la réaction de fusion de se produire, la température à l'intérieur du tokamak ITER doit atteindre 150 millions de degrés, soit dix fois celle qui règne au cœur du Soleil. Le plasma doit être maintenu à ces températures extrêmes de manière contrôlée afin d'en extraire l'énergie.

Le tokamak ITER combinera trois techniques de chauffage externe pour produire les 50 MW de puissance calorifique nécessaires pour porter le plasma à la température propice aux réactions de fusion: l'injection de neutres et deux sources d'ondes électromagnétiques de haute fréquence.

À terme, les chercheurs espèrent obtenir un « plasma en combustion », dans lequel l'énergie des noyaux d'hélium issus de la réaction de fusion suffira à entretenir sa température. Il deviendra alors possible de limiter le recours aux systèmes de chauffage externe, voire de s'en passer totalement. Obtenir un plasma en combustion générant de lui-même au moins 50 % de l'énergie nécessaire à la réaction de fusion constitue une étape déterminante sur la voie de la production d'électricité issue de l'énergie de fusion.
Un des puissants injecteurs de neutres prévu pour ITER. Remarquez sa taille par rapport à la chambre à vide (visible à gauche). (Click to view larger version...)
Un des puissants injecteurs de neutres prévu pour ITER. Remarquez sa taille par rapport à la chambre à vide (visible à gauche).
Le chauffage du combustible par injection de neutres revient en quelque sorte à chauffer du lait, ou tout autre liquide, avec la vapeur d'un percolateur de café professionnel à haute pression. Des injecteurs « tirent » dans le plasma des particules électriquement neutres et très énergétiques. Par le biais de multiples collisions, celles-ci transfèrent leur énergie aux particules de plasma.

Avant d'être injectés, des atomes de deutérium sont accélérés à l'extérieur du tokamak jusqu'à atteindre une énergie cinétique de 1 méga électron-volt (MeV). Sachant que seuls les atomes porteurs d'une charge positive ou négative peuvent être accélérés par un champ électrique, on élimine les électrons des atomes neutres pour créer des ions chargés positivement. Pour éviter que les ions chargés ne soient déviés par le champ de l'enceinte magnétique, on inverse ensuite le processus avant de procéder à l'injection proprement dite dans le plasma de fusion. Dans les dispositifs d'injection de neutres, les ions traversent une cellule contenant un gaz, où ils récupèrent leur électron manquant, puis sont injectés dans le plasma sous forme de particules neutres rapides.

L'emplacement des trois injecteurs de neutres autour de la chambre à vide. Un sera utilisé à des fins de diagnostic. (Click to view larger version...)
L'emplacement des trois injecteurs de neutres autour de la chambre à vide. Un sera utilisé à des fins de diagnostic.
Cette méthode d'injection éprouvée devra être adaptée aux nouveaux paramètres déterminés par le volume du plasma d'ITER. Ainsi, pour pénétrer de manière suffisamment profonde au sein du plasma, les particules devront se déplacer trois à quatre fois plus rapidement que dans les précédentes machines de fusion. A de telles vitesses, toutefois, les ions chargés positivement deviennent difficiles à neutraliser. Pour contourner cette difficulté, les ingénieurs du programme ITER ont choisi pour la toute première fois une source d'ions négatifs. S'ils sont plus faciles à neutraliser que des ions positifs, les ions négatifs sont plus difficiles à générer et à manipuler. En effet, l'électron supplémentaire qui confère aux ions leur charge négative est faiblement lié au noyau, si bien qu'il se peut s'en détacher facilement.

On prévoit d'utiliser deux injecteurs de neutres pour la machine ITER. Un troisième injecteur sera installé à des fins de diagnostic.
Deux antennes, 45 tonnes chacune, transmettront chacune 10 MW de chauffage à résonance cyclotronique ionique au plasma. (Click to view larger version...)
Deux antennes, 45 tonnes chacune, transmettront chacune 10 MW de chauffage à résonance cyclotronique ionique au plasma.
De la même façon qu'un four à micro-ondes transfère de la chaleur aux aliments au moyen de micro-ondes, les techniques de chauffage cyclotronique ionique et électronique utilisent des ondes radioélectriques de différentes fréquences pour apporter une chaleur supplémentaire au plasma. Dans le chauffage à résonance cyclotronique ionique (ICRH), l'énergie est transférée aux ions du plasma par un faisceau de rayonnement électromagnétique à haute intensité d'une fréquence de 40 à 55 MHz.

Le chauffage cyclotronique ionique fait intervenir un générateur, des lignes de transmission et une antenne. Le générateur produit des ondes radiofréquence de forte puissance, qui sont transportées par une ligne de transmission jusqu'à une antenne située dans la chambre à vide, laquelle envoie à son tour ces ondes dans le plasma.
Chacun des 24 gyrotrons prévus pour ITER générera un faisceau de rayonnement électromagnétique plus de mille fois plus puissant qu'un four à micro-ondes. Des prototypes sont en cours en Europe, en Inde, au Japon et en Russie. (Click to view larger version...)
Chacun des 24 gyrotrons prévus pour ITER générera un faisceau de rayonnement électromagnétique plus de mille fois plus puissant qu'un four à micro-ondes. Des prototypes sont en cours en Europe, en Inde, au Japon et en Russie.
La technique de chauffage à résonance cyclotronique électronique (ECRH) chauffe les électrons du plasma par le biais d'un faisceau de rayonnement électromagnétique de haute intensité d'une fréquence de 170 GHz, qui correspond à la fréquence de résonance des électrons. Ces électrons entrent ensuite en collision avec les ions et leur transférent l'énergie absorbée.

Le système de chauffage cyclotronique électronique est également utilisée pour apporter de la chaleur en des points très précis du plasma, de manière à minimiser certaines instabilités susceptibles de le refroidir. Comparativement à la technique ICRH, le chauffage ECRH présente l'avantage d'utiliser un faisceau capable de se propager dans l'air, ce qui permet de simplifier la conception et d'utiliser une source éloignée du plasma et de faciliter ainsi la maintenance. L'énergie sera apportée par de puissants gyrotrons à haute fréquence. Le développement d'un gyrotron de 1 MW fonctionnant à 170 GHz et générant des décharges d'une durée supérieure à 500 secondes, est partie intégrante du concept d'ITER.