4) - Chauffage et génération de courant  (p  1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 )

c) chauffage par onde radio fréquence

• Chauffage à la fréquence cyclotronique ionique (FCI)  

Ce système de chauffage utilise une onde rapide qui se propage principalement perpendiculairement aux surfaces de champ magnétique à une fréquence proche de celle de la fréquence de giration d'une des populations ioniques (de l'ordre de quelques dizaines de MHz , correspondant à des longueurs d'onde décimétriques). La fréquence de giration dépend :

• de la masse de l'ion en question, ce qui permet d'être sélectif dans la population ionique qu'on choisit d'exciter, 

• mais aussi du champ magnétique dont l'intensité décroît de l'intérieur vers l'extérieur du tokamak, ce qui permet de localiser l'endroit où on va déposer de l'énergie dans le plasma en réglant la fréquence de l'onde.

Malheureusement, l'absorption cyclotronique résonante n'est pas possible sur un plasma à une seule composante ionique (effet de blindage). On a alors recours à un scénario dit chauffage cyclotronique ionique minoritaire, qui consiste à utiliser un plasma avec une majorité d'ions deutérium et quelques pourcents d'ions hydrogène. On règle alors la fréquence sur l'hydrogène, de masse inférieure à celle du deutérium, et l'onde est fortement absorbée par les ions hydrogènes, qui voient leur énergie augmenter de plusieurs centaines d'eV à chaque passage de leur trajectoire par la zone de résonance. Ils vont ensuite transmettre leur énergie aux électrons par collisions, qui à leur tour vont chauffer les ions deutérium.

Plusieurs variantes existent. On peut choisir de régler la fréquence sur un multiple de la fréquence cyclotronique ionique, on parle alors de chauffage cyclotronique harmonique. En pratique, on utilise le second harmonique.  On peut également, lorsqu'aucune espèce d'ions n'est minoritaire, utiliser une résonance dite hybride ion-ion, où l'onde se convertit pour aller chauffer les électrons : on parle alors de chauffage par conversion de mode. 

On voit ici une antenne FCI dans la chambre à vide de Tore Supra (partie médiane), entourée par deux protections latérales qui l'abritent du plasma. En zoom, une image du composant de base des protections, capable de résister à la charge thermique du plasma (plusieurs MW/m2). On remarque également les tuyaux d'eau destinés à refroidir l'ensemble et la structure alvéolée de la protection d'enceinte qui recouvre la chambre à vide.

Enfin, une image infra-rouge du composant en fonctionnement, qui permet de voir l'échauffement modéré des protections malgré la présence du plasma grâce à un refroidissement efficace.

Le couplage de l'onde au plasma reste le point délicat : il faut régler finement le système pour obtenir la bonne résonance. L'antenne est un peu comme l'élément résonant dans un circuit électrique de type RLC, reliant la source de puissance et le plasma. La densité du plasma devant l'antenne est un paramètre critique : si elle est trop basse, l'onde ne passe pas. La puissance est alors réfléchie vers l'émetteur au lieu d'être transmise au plasma, ce qui pourrait être dommageable. Un système de sécurité veille donc sur l'ensemble, et coupe la puissance à l'émetteur en cas de mauvais couplage. D'autres systèmes complexes ont été développés pour que l'antenne puisse s'adapter à de petites variations de densité (à cause des fluctuations liées à la turbulence ou d'une perte de contrôle du plasma).