Physique de la Fusion

 

Le confinement magnétique

Comment rassembler des particules qui n'ont à priori aucune raison de vouloir rester ensemble ? Dans le soleil, la gravité s'en charge. Sur Terre, on utilise des champs magnétiques puissants.

a. Les trajectoires des particules

Le confinement du plasma dans un tokamak est basé sur la propriété qu'ont les particules chargées de décrire une trajectoire en hélice autour d'une ligne de champ magnétique. Regardez le mouvement d'une particule chargée autour d'une ligne de champ magnétique droite.

La particule, figurée en bleu, décrit une hélice autour de la ligne de champ, que suit le centre-guide de la trajectoire, matérialisé en vert.

Le rayon de giration de la particule, appelé rayon de Larmor retour, dépend de l'intensité du champ magnétique, de la masse et la charge de la particule, et de son énergie. Plus le champ magnétique est puissant, plus le rayon de Larmor est faible, la particule restant "scotchée" au voisinage de la ligne de champ. De plus, les électrons, beaucoup plus légers que les ions, ont un rayon de Larmor nettement plus faible à même énergie. Enfin, les particules très énergétiques ont un rayon de Larmor plus élevé que les particules à faible énergie, et sont donc plus difficiles à confiner. Le rayon de Larmor peut varier typiquement entre des millimètres pour des particules peu énergétiques avec un champ magnétique intense et des dizaines de centimètres pour des particules très énergétiques.

L'astuce consiste alors à refermer la ligne de champ sur elle-même pour piéger la particule, comme vous pouvez le voir ci-contre.

On se trouve alors dans une configuration où la direction du champ magnétique est purement toroïdale.

Malheureusement, sur une simple trajectoire circulaire de ce type, la particule subit une lente dérive transverse, liée au gradient de champ magnétique et à la force centrifuge, et dont la direction dépend du signe de sa charge. Par exemple, les ions vont dériver vers le haut (comme illustré sur le schéma ci-contre) et les électrons vers le bas.

Pour compenser cet effet, l'idée est alors de stabiliser la configuration en ajoutant une composante poloïdale au champ magnétique toroïdal. C'est la configuration magnétique utilisée dans les tokamak.
Les lignes de champ deviennent des hélices s'enroulant autour de surfaces toriques emboîtées, dites surfaces magnétiques.

La particule passe alors la moitié de son temps la tête en haut, où la dérive verticale, que l'on suppose vers le haut par exemple comme sur l'exemple ci-contre, l'éloigne de la surface magnétique, et l'autre moitié la tête en bas, où la dérive verticale la rapproche de la surface magnétique. L'effet de dérive est alors en moyenne compensé.

Dans un tokamak, le champ magnétique toroïdal est engendré par des bobinages extérieurs, tandis que le champ magnétique poloïdal est induit par un courant circulant toroïdalement dans le plasma. Ce courant est lui-même généré par effet transformateur, à partir d'un circuit primaire dont le le secondaire est le plasma. Tore Supra/WEST possède la particularité d'être équipé d'aimants supraconducteurs, qui lui permettent d'assurer un champ toroïdal permanent (les machines équipées d'aimants classiques sont limitées en durée par l'échauffement des bobines en cuivre). La durée de la décharge est alors limitée par la capacité du circuit primaire générant le courant plasma induisant le champ poloïdal.

Enfin, il existe une autre configuration, appelée stellarator , dans laquelle le champ magnétique est entièrement assuré par des bobinages extérieurs, toroïdal comme poloïdal. Le fait de ne pas avoir de courant intense circulant dans le plasma est un avantage en cas de disruption du plasma, mais il se paye en terme de complexité du bobinage magnétique nécessaire. On le voit sur ce schéma du stellarator allemand W7-X , ou le bobinage est représenté en bleu et le plasma en orange.

On appelle "facteur de sécurité" le pas de l'hélice sur chaque surface magnétique (c'est à dire le nombre grands tours toroïdaux nécessaires pour effectuer un petit tour poloïdal ). Dans une configuration tokamak, ce facteur de sécurité varie typiquement de 1 au centre du plasma à quelques unités au bord. Il est à noter que, dans le cas général, si on suit la ligne de champ, elle va décrire entièrement la surface magnétique autour de laquelle elle s'enroule au fil de ses passages successifs. Ceci est vrai sauf dans le cas d'un facteur de sécurité rationnel (c'est à dire égal au rapport de deux nombres entiers) . Dans ce cas particulier, la ligne de champ se referme sur elle-même au bout d'un nombre entier de tours, ce qui confère à la surface magnétique des propriétés spécifiques (modification locale du transport, déclenchement d'instabilités, ...)

Enfin, il est à noter qu'en première approximation, les grandeurs macroscopiques (densité, température, pression ...) sont homogènes sur une surface magnétique. On peut donc les décrire dans une section poloïdale simplement en fonction du rayon du plasma, par exemple en prenant leur valeur sur chaque cercle blanc illustrant une surface magnétique sur le schéma ci-dessous. On parle de profil radial (ne dépendant que du rayon), qui est dans le cas de la densité, de la température et de la pression maximales au centre du plasma et décroissent vers le bord de la décharge, comme illustré sur la figure ci-dessous.

Mise à jour : 04/01/2019