5) Interaction plasma paroi  et extraction des particules et de la chaleur  (p  1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 )

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 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.

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.