Les plasmas de fusion doivent atteindre des températures de plus de 100 millions de degrés pour produire des réactions de fusion en quantité. Ces températures sont accessibles grâce à des systèmes de chauffage du plasma, typiquement par injection d’ondes électromagnétiques ou de faisceaux de particules à haute énergie. Ces systèmes doivent être en mesure de fonctionner de façon fiable avec des rendements importants. Le CEA-IRFM et le laboratoire PIIM de l’Université d’Aix-Marseille (AMU) ont développé un nouveau concept d’injecteur d’atomes à haute énergie (« neutres » à 1MeV) qui visent à répondre à ces exigences : le concept CIGALE pour « Concept of a neutral beam Injector based on GAs neutraLization and Energy recovery injector »
Les centrales à fusion électrogènes doivent pouvoir disposer de systèmes fiables comparables à ceux que l’on peut trouver dans les centrales électriques actuelles. Cela doit être le cas des systèmes de chauffage qui permettent de porter et de maintenir le plasma à des températures de plus de 100 millions de degrés. Le CEA-IRFM et le laboratoire PIIM de l’Université d’Aix-Marseille (AMU) collaborent sur un nouveau concept d’injecteur de neutres à haute énergie visant une grande disponibilité. Le défi consiste à développer des systèmes de haute puissance (> 50 MW) à haut rendement (> 60%) et capables de fonctionner dans des conditions fiables et stables sur de longues périodes d’exploitation, typiquement plusieurs mois. De telles conditions opératoires représentent un saut technologique significatif pour les injecteurs de neutres. Cela nécessite d’améliorer grandement les systèmes actuels caractérisés par un rendement assez moyen (~ 30 %), des opérations de maintenance fréquentes et difficiles (peu d’accessibilité), ainsi qu’un système électrique à haute tension très complexe (-1MV).
Le nouveau concept proposé est basé sur des solutions qui permettent de contourner ces limitations. Il se caractérise par plusieurs avancées au niveau de la source d’ions, de la forme du faisceau et des différents composants de l’accélérateur. La source d’ions est l’élément actif de l’injecteur, son fonctionnement nécessite une maintenance régulière et de multiples connexions à des systèmes auxiliaires (alimentation électrique, eau, gaz, etc.). Sur les injecteurs conventionnels, la source d’ions et ses auxiliaires sont portés à la haute tension (-1MV sur ITER), alors que sur CIGALE, elle est référencée au potentiel de la terre (0 V) simplifiant considérablement l’accessibilité et les maintenances robotisées. La source d‘ions proposée pour CIGALE est basée sur le retour d’expérience de la R&D de ces dernières décennies. Elle comprend un confinement magnétique spécifique pour un fonctionnement à très basse pression (pression à la source< 0,1 Pa), la génération d’électrons primaires dans le plasma par des cathodes chaudes (filaments de tungstène chauffés et polarisés) pour une efficacité en puissance augmentée, et un protocole d’utilisation du césium qui réduit considérablement la quantité de césium injectée, nécessaire pour la production des ions négatifs utilisés dans les injecteurs à plus de 200keV (l’efficacité de neutralisation des ions positifs diminuant avec l’énergie). Avec la source à la masse, tous les éléments en aval (accélérateur, neutraliseur, bushing, déflecteur) sont portés à la haute tension (+1MV) ; ce sont des composants thermomécaniques passifs qui à l’inverse de la source ne nécessitent pas de maintenance particulière. De plus, leurs charges thermiques sont significativement réduites par moins de gaz injecté dans la source (réduction d’un facteur 5) et dans le neutraliseur (réduction d’un facteur 3). Avec moins de gaz le long de la ligne, le système de pompage par cryo-condensation est moins invasif et peut-être régénéré en continu sans interruption de l’injecteur.
La réduction des pertes du faisceau et l’implantation d’un système de récupération d’énergie des ions négatifs non neutralisés en aval de la ligne permet d’atteindre un rendement global de l’injecteur de 63%, d’où l’acronyme de CIGALE « Concept of a neutral beam Injector based on GAs neutraLization and Energy recovery ».
Les travaux de simulation, de conception et finalisation du concept CIGALE sont financés par le contrat AMidex « Sardine » coordonné par le laboratoire PIIM (AMU). Ces travaux ont donné lieu à une publication récente dans Nuclear Fusion [1]. En parallèle, CIGALE est actuellement considéré comme système de chauffage additionnel pour le projet de centrale fusion pilote STAR (Princeton Plasma Physics Laboratory – USA), où il fait l’objet d’études d’implantation avec des simulations de scénarios plasma.
[1] – CIGALE: an innovative gas neutralizer based high efficiency neutral beam injector concept for future fusion reactors, https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad645f