Le système magnétique d'ITER sera le plus grand et le plus intégré au monde.

 

Dans le tokamak ITER, 10 000 tonnes de systèmes supraconducteurs (dont l'énergie magnétique totale est de 51 Gigajoules) généreront le champ magnétique qui créera, confinera et modèlera le plasma. Fabriqués en niobium-étain (Nb3Sn) ou niobium-titane (Nb-Ti), les électroaimants deviennent supraconducteurs lorsqu'ils sont refroidis à très basse température. La température de fonctionnement pour les aimants d'ITER est de -269 °C (4K).

 

La supraconductivité présente de nombreux avantages. Des aimants supraconducteurs peuvent transporter plus de courant et donc générer des champs magnétiques plus puissants que des aimants conventionnels. Ils consomment également beaucoup moins d'électricité, ce qui les rendent moins chers à faire fonctionner. Les performances que l'on attend d'ITER ne seraient tout simplement pas envisageables sans recours à la supraconductivité.

 

Des « câbles en conduit » (CICC), dotés d'un circuit de refroidissement interne et formés de brins d'alliage supraconducteur et de cuivre enserrés dans une gaine d'acier, constituent les éléments de base du système magnétique.

 

Pour l'alliage qui présente les plus grandes difficultés technologiques—niobium-étain (Nb3Sn), destinés aux bobines de champ toroïdal et au solénoïde central—neuf fournisseurs ont assuré la production des quelque 500 tonnes de brins. Cet effort industriel à très grande échelle s'est traduit par une augmentation de la production mondiale annuelle (de 15 à 100 tonnes) et fait émerger trois nouveaux fournisseurs sur le marché international.

Les dix-huit bobines de champ toroïdal (toroidal field coils), positionnées verticalement autour de la chambre à vide, génèrent un champ magnétique dont la fonction première consiste à confiner le plasma. Les bobines de champ toroïdal sont conçues pour générer une énergie magnétique totale de 41 gigajoules et un champ magnétique maximum de 11,8 teslas. Hautes de 17 mètres et larges de 7, pesant chacune 360 tonnes, les bobines de champ toroïdal sont les plus gros éléments de la machine après la chambre à vide. Les bobines de champ toroïdal seront constituées de différentes longueurs de supraconducteurs « câble-en-conduit », assemblées dans de grandes « galettes » (double pancakes), contenues dans une armature en acier inoxydable (la plaque radiale) et empilées pour former les « packs » de bobines. Avec les boitiers qui les contiennent (coil cases) et assurent leur cohésion, les 18 bobines pèseront presque 6 000 tonnes—soit le quart du poids total de la machine. Tout au long de la fabrication, des outils et techniques de pointe (comme le soudage laser par faisceaux d'électrons sous vide) permettront de respecter le cahier de charges, particulièrement contraignant en termes de tolérances et de qualité.

En « pinçant » le plasma, le champ magnétique des bobines de champ poloïdal (poloidal field coils) le maintient à l'écart des parois et contribue à sa forme et à sa stabilité. Le champ poloïdal est induit à la fois par les aimants et par le courant qui parcourt le plasma.

 

Le système magnétique poloïdal est constitué de six bobines horizontales positionnées à l'extérieur de la structure magnétique toroïdale. Fabriqué à partir de « câbles-en-conduit » enserrant les brins supraconducteurs de niobium-titane (Nb-Ti), le système poloïdal du tokamak ITER est conçu pour délivrer une énergie magnétique totale de 4 gigajoules et un champ magnétique maximum de 6 teslas. En raison de leur taille (plus de 24 mètres pour la plus grande et 400 tonnes pour la plus lourde), quatre des six bobines de champ poloïdal seront fabriquées sur site dans un bâtiment dédié.

 

Les activités de production ont démarré en 2016.

 

Le solénoïde central forme la « colonne vertébrale » de la machine. Sa fonction consiste à induire le courant plasma et à le maintenir tout au long de la décharge. Constitué de six bobines indépendantes à base de supraconducteur en niobium-étain, le solénoïde central est l'un des aimants supraconducteurs les plus complexes et les plus puissants jamais construits. D'un poids de 1 000 tonnes pour 13 mètres de haut (18 m de haut avec sa structure) et 4 mètres de large, il produira une énergie magnétique totale de 6.4 GJ et un champ magnétique maximum de 13 teslas, pour une intensité de courant de 15 MA pour des décharges de 300 à 500 secondes. Pendant toute leur durée de vie, les bobinages devront soutenir des cycles électromagnétiques lourds et répétés (jusqu'à 60 000 cycles) associés à des courants et champs de forte intensité. Une structure de pré-compression verticale assurera la cohésion de l'ensemble. La structure devra résister à une force de l'ordre de 60 méga newtons (ou plus de 6 000 tonnes de force). A titre de comparaison, la force nécessaire au décollement d'une navette spatiale est équivalente à environ 30 méga newtons.

Ces petites bobines, au nombre de 18, compensent les déviations qui peuvent affecter la géométrie du champ magnétique — celles-ci procèdent des tolérances dans la fabrication et l'assemblage des éléments. Plus légères et plus fines que les bobines de champ toroïdal ou poloïdal et parcourues d'un courant moins intense (10 kA), les bobines de correction mesurent jusqu'à 8 mètres de large. Leur fabrication et leur installation dans le tokamak présentent un certain nombre de défis dus leurs formes, aux tolérances réduites et à l'environnement particulièrement dense de la chambre à vide. Les bobines de correction sont disposées par groupe de six dans les parties haute, médiane et basse de la surface externe de la chambre à vide.

Les lignes d'alimentation (magnet feeders) assurent l'alimentation cryogénique et électrique des aimants supraconducteurs. Elles fournissent l'hélium liquide à la température de 5K qui assure la supraconductivité des bobines de champ toroïdal/poloïdal et du solénoïde central ainsi que l'alimentation électrique grâce à des câbles supraconducteurs à haute température (HTS current leads).