Le système de chauffage externe le plus puissant d'ITER, l'injection de (particules) neutres, sera testé avant exploitation au centre d'essai NBTF (Neutral Beam Test Facility) de Padoue en Italie.

Bien que l'injection de neutres soit couramment utilisée pour le chauffage du plasma dans les machines de fusion, la taille d'ITER impose des exigences plus strictes : ainsi, les faisceaux de particules doivent être plus denses et les particules individuelles plus rapides afin de pénétrer en profondeur dans le cœur du plasma.

Ce centre d'essai permettra aux scientifiques d'étudier certaines questions difficiles liées à la physique et à la technologie impliquées et de valider les concepts avant d'installer le système d'injection de neutres sur la machine ITER.

L'injection de neutres repose sur des faisceaux de particules animées d'une très grande vitesse qui pénètrent dans le plasma et lui transfèrent leur énergie par le biais de collisions. ITER sera équipé de deux injecteurs de neutres pour le chauffage (des réservations sont prévues pour en installer un troisième) et d'une ligne d'injection de neutres à des fins de diagnostic. Les injecteurs sont conçus pour fonctionner pendant 3 600 secondes en délivrant chacun des faisceaux de deutérium d'une puissance de 16,5 MW à 1 MeV d'énergie. Leur puissance de chauffage combinée—33 MW—représente plus de 50 % des besoins de chauffage externe d'ITER.

Les faisceaux de neutres se forment par l'accélération, suivie de la neutralisation, d'ions—en particulier d'ions positifs. Mais compte tenu des exigences d'ITER (niveaux de puissance et de vitesse requis), l'ion positif devient difficile à neutraliser. En revanche, bien qu'offrant un bien meilleure efficacité de neutralisation, les ions négatifs sont nettement plus difficiles à gérer pendant les phases de production et d'accélération. La création, à partir d'une source d'ions négatifs, de faisceaux de neutres fiables et animés d'une très grande énergie implique donc un important saut technologique. Parmi les défis critiques on peut citer :

• l'extraction d'un faisceau d'ions négatifs de 40 A à partir d'une source radiofréquence de grande taille ;
• l'accélération du faisceau d'ions négatifs jusqu'à 1 MeV en maintenant la meilleure précision possible ;
• le développement de lignes de transmission haute tension isolées au gaz pour raccorder l'alimentation à la source du faisceau ;
• le maintien d'une haute tension (1 MV) sur des impulsions de 3 600 secondes ;
• le développement des diagnostics.

Au cours des dix dernières années, des programmes de R&D au Japon et en Europe ont contribué à combler le fossé entre la technologie actuelle et les besoins d'ITER. Une source d'ions négatifs, développée au travers de plusieurs générations de prototypes à l'Institut Max-Planck de physique des plasmas (IPP) de Garching en Allemagne, a servi de modèle pour la source requise par ITER. Depuis 2009 une source à l'échelle ½ d'ITER—ELISE—a permis d'accumuler de précieuses données expérimentales. (Ce programme est financé par l'Agence domestique européenne à titre de contribution volontaire au programme de neutres d'ITER.)

L'étape suivante est un centre d'essai capable de répondre aux exigences du système de neutres d'ITER à la fois en termes de puissance, d'énergie et de durée d'impulsion. Le centre d'essai NBTF, créé en 2012 suite à l'approbation du Conseil ITER, a fait l'objet d'un fort soutien de la part d'ITER Organization et des parties concernées par le développement des injecteurs de neutres—l'Europe et le Japon pour leur contribution en nature pour la partie chauffage et l'Inde la partie diagnostic.

Dans un bâtiment de 17 500 m² sur le site du Consorzio RFX à Padoue, deux bancs d'essai de neutres sont en construction :

• SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio frequency plasma) est une source d'ions négatifs dimensionnée pour ITER et conçue pour répondre à toutes les exigences en matière de source d'ions ;
• MITICA (Megavolt ITER Injector and Concept Advancement) est un injecteur de neutres de 1 MV (chauffage), qui permettra d'étudier et d'optimiser le système dans son ensemble (source, accélérateur, neutralisateur).

Les éléments conçus pour le centre d'essais NBTF sont identiques à ceux qui seront utilisés sur la machine ITER, ce qui permettra aux équipes concernées d'acquérir les informations et le savoir-faire indispensables à la fabrication des différents éléments du système et à leur exploitation en situation réelle.

• L'Europe fournit tous les composants mécaniques de SPIDER et de MITICA (y compris les sources et les accélérateurs) ; l'alimentation de SPIDER (à l'exception de la grille accélérateur et l'alimentation fournies par l'Inde) ; l'alimentation basse tension, et la cage de Faraday de MITICA ; les auxiliaires (systèmes de refroidissement, de vide et injecteurs de gaz, installation de traitement et de stockage de gaz isolant, installation cryogénique) ; l'instrumentation et le contrôle ; et les diagnostics ;
• L'Inde fournit le calorimètre et l'alimentation de la grille accélérateur pour SPIDER ;
• Le Japon fournit les composants haute tension pour le système d'alimentation de 1 MV de MITICA (y compris le manchon MV, la ligne de transmission MV et la partie haute tension de l'alimentation MV).

A Padoue, l'Italie a mis à la disposition du centre d'essais NBTF un site de deux hectares dans l'enceinte de Consorzio RFX, un laboratoire de recherche pour la physique des plasmas et la fusion nucléaire contrôlée. En tant qu'hôte, Consorzio RFX fournit également une grande partie de la main-d'œuvre.

Toutes les contributions au centre d'essai NBTF sont faites à titre volontaire.

Le calendrier des expériences prévues est strictement aligné sur le calendrier général d'ITER de manière à accumuler une expérience suffisante de l'exploitation de la source prototype (SPIDER, voir vidéo) et de l'injecteur grandeur réelle (MITICA) avant le début de l'installation des injecteurs de neutres sur le tokamak ITER.

La réalisation des deux bancs d'essai progresse en parallèle à Consorzio RFX. SPIDER est entré en fonctionnement en juin 2018.

Cliquez ici pour plus d'information sur les systemes de chauffage externe de la machine.

Téléchargez une brochure (en anglais) sur SPIDER ici.

Le centre d'essai NBTF

• Localisation : Consorzio RFX, Padoue, Italie
• Objectif : un effort collectif international pour développer les prototypes d'injecteurs de neutres pour ITER
• Financement (phase de construction) : Agence domestique européenne, ITER Organization et Italie. Les agences domestiques du Japon et de l'Inde contribuent certains composants.
• Calendrier de construction : décision prise par le Conseil ITER de construire le centre (2010) ; démarrage de la construction à Consorzio RFX (2012) ; fourniture de tous les bâtiments, y compris le bâtiment principal de 17 500 m² (2015) ; installation des composants en cours.
• Calendrier de SPIDER : achèvement de la conception de tous les composants (2011) ; fabrication de la source de faisceau (novembre 2012-novembre 2017) ; mise en service globale et début de l'exploitation de SPIDER en mars 2018 ; premier faisceau en juin 2018; premier faisceau (juin 2019).
• Calendrier de MITICA : finalisation de la conception de tous les composants (début 2016) ; installation de l'alimentation et essais (début 2018) ; fabrication de la source de faisceau en Europe sur le point de commencer (mi-2018) ; début de la phase expérimentale (prévu pour 2024).
• Laboratoires impliqués dans le programme de développement des neutres : Europe—Le Commissariat français à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) ; l'Institut Max-Planck de physique des plasmas (IPP) ; l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ; le Culham Centre for Fusion Energy (CCFE). Japon—National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology. Inde—ITER-India, Institute for Plasma Research.
• NBTF = Neutral Beam Test Facility (centre d'essai pour l'injection de neutres)
• SPIDER = Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio frequency plasma
• MITICA = Megavolt ITER Injector and Concept Advancement
• PRIMA = Padova Research on ITER Megavolt Accelerator (un autre nom pour désigner le centre d'essai NBTF)
• Consorzio RFX = organisme de recherche soutenu par l'ENEA (Agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, l'énergie et le développement durable), le CNR (Conseil national de la recherche), l'INFN (Institut national de physique nucléaire), l'Université de Padoue et le producteur d'acier Acciaierie Venete SpA.