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Interaction plasma paroi et extraction des particules et de la chaleur
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Comment
faire pour éviter que les particules d'hélium, les cendres de la réaction de
fusion, ne s'accumulent dans la décharge et finissent par étouffer le plasma ?
Comme les shadoks, il faut pomper ... |
e)
Extraction et injection de matière
Les réactions
de fusion D-T produisent des "cendres", les particules d'hélium.
Ces particules, créées au centre de la décharge, cèdent une partie de leur
énergie au plasma par collisions et servent donc à entretenir le plasma, avant
de diffuser avec les autres particules vers le bord
de la décharge. Afin d'éviter qu'elles ne s'accumulent et viennent étouffer
la décharge, des dispositifs spéciaux sont prévus sur les composants face au
plasma pour les extraire. Ils consistent à recueillir le flux ionique sur des
gorges de neutralisation conçues pour diriger le flux de neutres ainsi créé
et insensible à l'effet du champ magnétique vers un système de pompage situé à l'écart de la machine.
On voit ici 2 méthodes de
pompage expérimentées sur les limiteurs de Tore Supra. La première
méthode consiste à recueillir directement le flux ionique dans des
gorges et le diriger vers un système de pompage. L'avantage : une
efficacité de pompage importante, l'inconvénient : un flux thermique
élevé sur le bord d'attaque, situé au bord de la gorge. Une deuxième
méthode consiste à laisser le flux ionique incident se neutraliser à la
surface du limiteur, et compter sur les processus de physique atomique
pour ramener une partie des neutres ainsi crées vers des fentes,
conduisant au système de pompage. L'avantage : plus de problème de bord
d'attaque, l'inconvénient : une efficacité de pompage moindre. |
![](ipp04.gif)
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On voit ici une coupe du bas du
tokamak JET, où le système qui assure l'extraction des particules est
représenté : le flux plasma arrive dans la zone de bord, où il se
neutralise sur les plaques du divertor. Le flux de neutres est ensuite
recueilli à travers des chevrons et dirigé vers une pompe.
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![](pompag19.gif) |
La plupart des
machines actuelles fonctionnent en deutérium pur (JET est la seule machine en
fonctionnement possédant les installations nécessaires pour fonctionner avec du tritium à l'heure actuelle) et
extrapolent les résultats obtenus en D-D à la fusion D-T. On étudie le
pompage de l'hélium en faisant des injections d'hélium dans la décharge
depuis l'extérieur et en observant comment le système de pompage se comporte.
Les performances atteintes sont compatibles avec les exigences de fonctionnement d'un futur
réacteur (concentration en hélium au centre du plasma inférieure à 10%).
Il est malheureusement
difficile d'évacuer préférentiellement l'hélium au bord du plasma : on extrait donc
tout ce qui arrive de la décharge, un mélange de combustible (deutérium et
tritium), de cendres (hélium) et en faible proportion d'impuretés émises par
les parois de la machine. On trie ensuite ce mélange, on supprime l'hélium et
les impuretés, et on réinjecte en continu du combustible pour compenser ce
qu'on a extrait de la décharge. Le système de pompage est donc destiné non
seulement à extraire les cendres dans un futur réacteur mais aussi à
contrôler la densité du plasma en combustible dans les machines actuelles, en
jouant sur les quantités extraites et réinjectées.
Toutefois, en plus de ces systèmes de
pompage dit "actifs", il existe un pompage dit "passif"
,
exercé par la paroi. En effet, le carbone, matériau très souvent choisi
pour les composants face au plasma en raison de sa bonne résistance aux chocs
thermiques et de son faible numéro atomique qui limite les problèmes de
rayonnement, possède une propriété bien spécifique : c'est une véritable
éponge à hydrogène, capable d'absorber une grande partie du flux de
particules incidentes, jusqu'à ce que le matériau soit saturé. Il peut alors
lui arriver de recracher les particules qu'il a absorbé, en particulier en cas
de surchauffe. Il faut donc compter avec la paroi lorsqu'on cherche à
contrôler la densité de la décharge.
Côté
alimentation du plasma, on dispose de trois moyens
d'injection de combustible
dans la décharge :
-
l'injection de gaz par
un tuyau arrivant dans la chambre à vide. Simple à mettre en oeuvre, cette
méthode est assez peu efficace mais très couramment utilisée sur les
tokamaks (typiquement 20% des particules injectées
pénètrent dans la décharge sur Tore Supra...)
-
l'injection
de neutres, qui sert aussi de moyen de chauffage. L'efficacité est
meilleure, mais les quantités injectées sont assez faibles et ne suffisent
pas toujours pour alimenter la décharge.
-
l'injection de glaçons,
qui consiste à injecter de petites billes de deutérium ou de tritium sous
forme de glace. On utilise des systèmes qui ressemblent à des pistolets à
air comprimé, capables d'injecter les glaçons de deutérium à plusieurs
kilomètres par seconde. Le dispositif est complexe, mais conduit à des efficacités
de remplissage du plasma bien meilleures que l'injection de gaz (pouvant
atteindre 80% sur Tore Supra). Des développements sont en cours pour
adapter les systèmes pulsés actuels au fonctionnement en continu.
L'image ci-contre représente
l'injection d'un glaçon dans Tore Supra vue de dessus, telle que la
détecte une caméra sensible au rayonnement du deutérium neutre. Le halo
correspond au nuage très dense de particules neutres entourant le
glaçon, qui "fond" au fur et à mesure de sa course dans le
plasma, répandant son contenu qui s'ionise (et devient alors invisible
pour la caméra) sur les surfaces magnétiques qu'il traverse.
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![](pompag4.jpg)
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