transport, confinement, modes améliorés

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

Le piège magnétique qui confine les particules n'est pas parfait : malgré la configuration magnétique, une lente dérive conduit les particules du centre de la décharge vers le bord ... Plus ce phénomène de transport est important, moins le confinement est bon.

c) le transport des particules et de la chaleur

Une fois établi un équilibre magnétique stable, nous avons vu que les particules, lorsqu'on les considèrent individuellement, suivent les lignes de champ magnétique, au rayon de Larmor et aux mouvements de dérive près. Cependant, elles subissent d'autres phénomènes qui vont modifier cette image simple pour aboutir à des mécanismes de transport plus complexes, que l'on peut classer en deux grandes catégories :

transport néoclassique : les effets des collisions entre particules, qui vont les faire dévier de leur trajectoire initiale en une sorte de marche au hasard, donnant lieu à une diffusion radiale lorsqu'elles qu'elles "sautent" d'une surface magnétique à une autre sous l'effet du choc. C'est le transport dit néoclassique.

On peut alors modifier l'image simple de la particule suivant sa ligne de champ comme sur le schéma de gauche par l'image d'une succession de sauts d'une ligne de champ à l'autre, comme illustré sur le schéma de droite.

transport dit "anormal" : les effets de la turbulence, c'est à dire des fluctuations de champs électrique et magnétique, donnent lieu à la propagation d'ondes dans le plasma. Il en résulte un accroissement du transport de la chaleur et des particules. Ce transport, dit anormal, donne lieu à des développements théoriques importants. Si la théorie linéaire est maintenant bien établie et permet de prédire les conditions dans lesquelles une onde devient instable, elle n'est plus valable lorsque l'onde grossit, et il faut alors passer à des modèles non linéaires plus complexes pour simuler l'évolution de l'instabilité.

Le transport de la chaleur est un phénomène tout à fait analogue au transport des particules. Tout d'abord, les particules qui diffusent transportent leur propre énergie : c'est le phénomène de convection. Ensuite, les collisions permettent aux particules d'échanger de l'énergie : c'est la conduction thermique.

Ce phénomène de diffusion de l'intérieur de la décharge vers l'extérieur a donc tendance à "vider" le plasma de son contenu en particules et en énergie, et détermine les performances en confinement de la machine. La diffusion des particules est caractérisée par un coefficient de proportionnalité, appelé coefficient de diffusion, entre le flux de particules et le gradient de densité. De même, pour la chaleur, le coefficient de diffusion est défini par le rapport entre le flux de chaleur et le gradient de température. Plus ce coefficient est élevé, plus la diffusion est forte, et moins le confinement est bon.

Expérimentalement, on observe des pertes en énergie bien supérieures (et par conséquent un temps de confinement bien inférieur) à ce que prédirait le transport néoclassique seul : le transport anormal semble donc le terme dominant. De nombreuses études sont en cours afin d'affiner la compréhension des phénomènes pouvant expliquer ce transport anormal. En particulier, on cherche à établir la dépendance du coefficient de diffusion en fonction des paramètres du plasma et de la machine. Deux types de comportement ont été identifiés :

comportement Bohm : le coefficient de diffusion ne dépend pas de la taille de la machine (et donc on ne gagne pas en passant à un réacteur de grande taille)
comportement Gyrobohm : le coefficient dépend favorablement de la taille de la machine (et donc on réalise un gain important en passant au réacteur)

Les tendances qui se dégagent des études les plus récentes sont que le comportement est différent selon l'espèce considérée (électrons ou ions) et le mode de confinement :

les électrons sont de type Gyrobohm quel que soit le mode de confinement
les ions sont de type Bohm en mode de confinement normal, et deviennent Gyrobhom lorsqu'on passe en mode de confinement amélioré.

En savoir plus : Modélisation à cinq dimensions de la turbulence dans un plasma de Tokamak