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- Chauffage et génération de courant
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| Les
ondes électromagnétiques font partie de notre vie quotidienne, depuis la radio
jusqu'au four à micro-ondes. Sur Tore Supra, des fours à micro-ondes d'un
nouveau genre assurent le chauffage du plasma ... |
c) chauffage
par onde radio fréquence
Tout comme dans d'autres
fluides comme l'air ou l'eau, des ondes
de toutes sortes peuvent se propager
dans un plasma. Cela donne lieu à un vaste
domaine de la physique des plasmas, tant la richesse des possibilités suivant
la nature de l'onde (sa fréquence, sa polarisation
...) et les paramètres du
plasma (densité, température ...) est grande. On classe en général les
ondes par familles suivant leur fréquence et leur direction de
propagation par rapport au champ magnétique (parallèle ou perpendiculaire). Suivant les cas, les ondes peuvent être
propagatives ou évanescentes, se réfléchir ou changer de polarisation,
augmenter en amplitude au cours du temps ou au contraire céder de l'énergie au
plasma. C'est ce dernier cas qui nous intéresse ici, et c'est cette propriété
que l'on utilise pour chauffer le plasma à l'aide d'ondes électromagnétiques avec des
caractéristiques bien choisies.
| Il existe deux grands
mécanismes permettant au plasma de gagner de l'énergie à partir d'une onde :
l'absorption de type cyclotronique et l'absorption de type Landau. Dans les deux
cas, l'interaction onde/particules est résonante, c'est à dire qu'elles
vibrent à la même fréquence.
Dans le cas de l'absorption cyclotronique, il
s'agit de coupler au plasma une onde à une fréquence résonante avec la
fréquence de rotation
d'une espèce (ions ou électrons) dans sa trajectoire
autour des lignes de champ.
Dans le cas de l'absorption Landau, il s'agit de coupler
au plasma une onde en résonance avec une population de particules, de
telle façon que onde et particule aient quasiment la même vitesse de
propagation. La situation est alors un peu comparable à celle du surfeur,
se déplaçant à la même vitesse que la vague, et profitant de son
énergie.
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En plus de permettre de
chauffer le plasma, les ondes permettent aussi de générer du courant . En
effet, dans la configuration tokamak, un courant
circulant dans le plasma est utilisé pour créer la
composante poloïdale du champ magnétique de confinement. Ce courant est
lui-même induit par effet transformateur dont le plasma serait le secondaire,
à partir d'un circuit primaire qui n'a qu'une capacité limitée.
Lorsqu'on a vidé le circuit primaire, plus de courant plasma, donc plus de champ
magnétique poloïdal, donc plus de confinement : c'est la fin de la décharge.
Sur Tore Supra, dont le champ magnétique toroïdal est assuré par des aimants
supraconducteurs, et est donc permanent, c'est l'une des principales limites de la
durée de décharge (sur les autres tokamaks où le champ magnétique toroïdal
est produit à l'aide d'aimants classiques en cuivre, le système toroïdal est
aussi une limite). On voit donc tout l'intérêt de générer le courant plasma
par des moyens autres que l'effet transformateur : c'est qu'on appelle génération
non inductive de courant. C'est un domaine très activement exploré par
Tore Supra, le tokamak spécialiste des décharges longue
durée.
Pour passer de l'effet
chauffage à l'effet génération de courant, il faut ajouter un effet de
directionnalité sur le spectre de l'onde, afin qu'elle n'entre en résonance
qu'avec des particules ayant une direction privilégiée. On fait alors un
transfert net d'impulsion dans la direction toroïdale, ce qui génère du
courant (puisqu'il y a "plus" de charges circulant dans un sens que
dans l'autre dans la direction toroïdale, la résultante est donc un courant).
NB : on peut aussi obtenir
de la génération de courant en utilisant le chauffage par injection de
particules énergétiques, en dirigeant correctement le faisceau, pour
transmettre de l'impulsion aux particules du plasma dans la direction
toroïdale.
Trois grandes familles de
chauffage existent, classées suivant leur gamme de fréquence :
Chaque type de chauffage
possède ses applications propres, et est capable de fournir différents
résultats (chauffage ou génération de courant) suivant la manière dont il
est utilisé.
Dans tous les cas, l'onde
est générée par des systèmes différents suivant sa fréquence
(tétrodes ou diacrodes pour la
fréquence cyclotronique ionique, klystrons pour la
fréquence hybride, gyrotrons pour la
fréquence cyclotronique électronique), puis se propage jusqu'au tokamak
par des lignes de transmission (guides d'onde) soigneusement dimensionnées, et
enfin se couple au plasma par l'intermédiaire d'une antenne, placée à
l'intérieur de la chambre à vide. Outre les problèmes matériels posés par
ces systèmes électrotechniques délicats, la difficulté se situe au niveau du
couplage de l'onde au plasma, faisant intervenir des processus de physique
complexes et demandant un bon contrôle du plasma de bord.
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