Magnétohydrodynamique

3) - Le confinement magnétique (p 1 - 2 - 3 - 4 )

Le piège magnétique qui confine les particules n'est pas si simple à mettre en oeuvre : le plasma n'apprécie pas et cherche à contrer le champ magnétique qui lui est imposé ...

b) Stabilité du confinement

Grâce à la configuration du tokamak, on arrive à confiner les particules, en compensant la pression du plasma, qui cherche à s'étendre comme un gaz, par la pression magnétique. Malheureusement, un tel équilibre, si il est relativement facile à réaliser, peut devenir instable, c'est à dire qu'une petite perturbation est susceptible de croître au cours du temps, et de conduire dans certains cas à la perte complète du confinement : c'est ce qu'on appelle une disruption. Dans d'autres cas, il s'agit seulement d'une perte partielle de confinement, qui n' implique pas l'arrêt brutal de la décharge, mais qui dégrade fortement ses performances.

Par exemple, on voit ici expérimentalement l'image d'une perturbation de l'équilibre magnétique sur JET. Les surfaces de flux vues par imagerie X devraient correspondre aux surfaces de flux théoriques en noir sur la figure, comme c'est le cas au départ de l'animation ci-contre. Mais une instabilité se développe, et vient perturber l'agencement de la configuration magnétique. Cela se terminera par une disruption ...

Les disruptions

Une disruption peut avoir de nombreuses conséquences. Toute diminution brutale de courant et/ou de champ magnétique induit des courants et/ou des champ magnétiques miroirs dans les composants entourant la machine. Ces composants sont du coup soumis à des efforts qui peuvent être considérables. Plus le courant plasma initial est élevé (et on compte souvent en Méga ampères dans les tokamaks) et plus le temps qu'il met à disparaître est court, bref plus la variation de courant est brutale, plus la disruption est sévère. Les tokamaks sont donc dimensionnés pour pouvoir résister à ces événements (on utilise des matériaux non magnétiques, la structure de la machine est très robuste, on isole électriquement les différentes parties en contact, on fixe soigneusement tous les composants à l'intérieur de la chambre). Outre ces efforts mécaniques, toute l'énergie contenue dans le plasma est également déposée en un temps très court sur les composants de la chambre à vide, qui sont donc conçus pour pouvoir résister à ces chocs thermiques extrêmes. Enfin, une disruption a aussi des conséquences sur le programme expérimental : il est généralement difficile de redémarrer directement la machine après une disruption, et il faut souvent avoir recours à des décharges de nettoyage avant de pouvoir reprendre le cours des expériences. Même si les disruptions font pour le moment encore partie de la vie courante des tokamaks actuels, qui en sont au stade d'instruments de recherche, on comprend donc l'intérêt qu'il y a à s'efforcer de les éviter, en particulier en étudiant la stabilité des équilibres magnétiques.

Voir le film "Instabilités" (gif, 1600 ko)

Les instabilités

L'étude de la stabilité des équilibres magnétiques s'appelle la magnétohydrodynamique (MHD pour les intimes). Ce nom compliqué recouvre simplement la notion de fluide (hydro) en mouvement (dynamique) dans un champ magnétique (magnéto), ce qui s'applique très exactement à ce que fait le plasma dans un tokamak. Vouloir confiner un plasma chaud dans une enceinte immatérielle formée par les lignes de champ magnétique, c'est un peu comme vouloir contenir un gaz sous pression dans une chambre à air. Une autre comparaison que l'on entend couramment chez les physiciens pour illustrer la difficulté de la chose est celle de l'anneau de confiture (version imagée du plasma) à confiner en utilisant des bandes de scotch ... Plus sérieusement, en reprenant l'exemple de la chambre à air, la MHD permet d'optimiser les caractéristiques de la chambre (géométrie, épaisseur du caoutchouc ...) pour qu'elle résiste à la pression du gaz sans éclater ni se déformer ou fuire. On appelle b le rapport de la pression cinétique du plasma (proportionnelle à sa densité et à sa température) à la pression magnétique du confinement (proportionnelle à l'intensité du champ magnétique). Pour que la "chambre à air" n'explose pas, il faut que le confinement magnétique soit plus fort que les forces de pression du plasma, c'est à dire que ce rapport soit inférieur à 1 . En pratique, on trouve que cette limite en b est bien inférieure à 1, de l'ordre de quelques pourcents, en raison de l'apparition d'instabilités. Ceci limite notamment la densité maximum que l'on peut obtenir, puisque la pression cinétique du plasma lui est proportionnelle.

Pour comprendre la notion de stabilité d'un équilibre, l'analogie la plus simple est celle de la bille qui roule sur une surface ondulée. Suivant la géométrie de la surface, l'équilibre de la bille sera stable, métastable ou instable, comme illustré ci-dessous.

Les mécanismes d'instabilités en physique des plasmas sont presque innombrables ... Certaines instabilités présentent des similitudes avec des exemples empruntés à la mécanique des fluides, comme l'instabilité de Rayleigh Taylor, qui consiste à superposer deux fluides en plaçant le plus lourd sur le dessus. Imaginez par exemple un récipient dans lequel vous versez de l'eau puis, avec précaution, de l'huile par dessus. Le système est alors dans un équilibre métastable. La moindre pichenette va causer un retournement de situation, le fluide le plus lourd passant sous le fluide le plus léger, ce qui correspond à un équilibre stable.

Un autre type d'instabilités sont les instabilités de torsion, qui apparaissent lorsqu'un courant parallèle au champ magnétique introduit une torsion des lignes de champ, rappelant l'effet qu'on obtient si on tord trop fortement une corde : elle se tortille et fait des coques. D'autres instabilités sont vraiment propres à la physique des plasmas et n'ont pas d'équivalent dans d'autres domaines.