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Interaction plasma paroi et extraction des particules et de la chaleur
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se passe-t-il lorsque le plasma vient interagir avec la paroi ? Revoyons la
scène, cette fois du point de vue de la paroi. |
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Et la paroi dans tout ça ?
Que se passe-t-il lorsque le
plasma vient interagir avec une paroi solide ? Prenons le cas où la paroi
est en carbone, matériau très courant dans les tokamaks en raison de sa
résistance aux chocs thermiques, et la particule incidente un ion deutérium
D+. De nombreux phénomènes peuvent se produire ...
Tout d'abord, la particule
chargée incidente peut être simplement réfléchie sous forme de particule
neutre (atome D ou molécule D2 en cas de recombinaison) et repartir vers le plasma, où elle sera à
nouveau ionisée. C'est le recyclage.
Ensuite, la particule peut
être absorbée par la paroi, car le carbone est une véritable éponge à
hydrogène. Cela se produit jusqu'à saturation du carbone en hydrogène, tout
comme l'éponge ne peut absorber qu'une certaine quantité d'eau. Sous certaines
conditions (surchauffe par exemple), la paroi peut également relâcher les
particules qu'elle a piégées, comme l'éponge qu'on presse. Les
particules incidentes peuvent également par leur impact dégager des
particules piégées (désorption). Cela
complique donc le contrôle de la densité du plasma, qui peut être fortement
influencée par l'état de saturation de la paroi, énorme réservoir de
particules à la durée de remplissage très longue. Cela a été clairement vu
sur Tore Supra, en particulier dans le programme décharges
longues, où la
densité du plasma a tendance à monter en fin de choc, sans doute en raison d'un dégazage
de la paroi lointaine, qui n'est pas sollicitée dans les chocs à durée plus
courte mais chauffe au fil du temps. La solution : un refroidissement de tous
les composants de la paroi, même ceux situés loin du plasma. C'est ce qui a
été fait sur Tore Supra dans le cadre du projet CIEL.
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Conditionnement
dans les tokamaks
En outre, on
développe des techniques de conditionnement
de la chambre à vide,
pour pouvoir mieux maîtriser l'état de la paroi. Une première procédure
consiste à recouvrir les parois avec un très fin film protecteur aux
propriétés intéressantes. Dans Tore Supra, on réalise ainsi périodiquement
(environ 1 fois par mois) une boronisation (film de carbure de bore), qui a en
outre l'avantage d'être un piège à oxygène, ce qui améliore la pureté du
plasma. Entre deux boronisations, on peut également désaturer la paroi
à l'aide décharges luminescentes (c'est à dire qu'on réalise un plasma
d'hélium très peu puissant sans le champ magnétique de confinement, qui vient
lessiver les parois et en sortir le deutérium piégé par impact des particules
d'hélium sur la paroi) effectuées pendant la nuit pour préparer le programme
expérimental de la journée suivante. Enfin, en cours de journée
expérimentale, on a mis au point des
décharges de nettoyage permettant de récupérer une partie des particules
piégées et de fonctionner avec une paroi plus ou moins désaturée, même
après de nombreux chocs ou une disruption.
Outre le
contrôle de la densité du plasma, une autre question qui se pose est la
rétention d'hydrogène dans la paroi, qui devient problématique lorsque dans
la prochaine étape, on utilisera comme combustible le tritium radioactif. A
partir des résultats des tokamaks JET
et TFTR,
seules machines à avoir utilisé du tritium à l'heure actuelle, on développe
des scénarios permettant de minimiser la rétention par la paroi, ainsi que des
techniques de conditionnement pour récupérer le tritium piégé.
Enfin, les particules
incidentes peuvent arracher des atomes de carbone à la paroi : c'est ce qu'on
appelle l'érosion. Une partie de ces atomes d'impuretés peuvent ensuite par
une cascade de phénomènes de physique atomique parvenir jusqu'au centre de la
décharge et venir dégrader les performances du plasma central en rayonnant une
partie de la puissance couplée au plasma. Après des phénomènes de
transport complexes, le carbone érodé est éventuellement redéposé sur les
parois de la machine, certaines fois bien loin de l'endroit d'où il a été
arraché. Mais cette redéposition n'est pas suffisante pour empêcher une lente
érosion des composants face au plasma, en particulier aux endroits où se
concentre le flux de particules incident : c'est une des préoccupations
majeures pour les machines de prochaine génération, où l'on doit assurer aux
composants une durée de vie suffisante pour ne pas être obligé de les changer
trop fréquemment. De nombreuses études sont menées, tant du point de vue de
la paroi (matériaux dopés pour mieux résister à l'érosion, utilisation du
tungstène ou du beryllium à la place du carbone) que du plasma (atténuation
du flux incident dans les scénarios
rayonnants).
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