L’exploitation scientifique et technique des tokamaks repose sur un ensemble de systèmes de mesures ou diagnostics. Parmi ceux-ci, les diagnostics magnétiques occupent une place particulière car ils assurent notamment la mesure du courant plasma et le calcul de la forme et de la position de celui-ci, des données essentielles au contrôle des plasmas. Tous les capteurs magnétiques doivent être intégrés dans la structure même de la chambre à vide, ils font donc partie des premiers systèmes de mesures à être installés. Le CEA-IRFM a participé au développement de ces diagnostics pour ITER et vient d’effectuer des campagnes de mesure pour qualifier les capteurs qui seront installés dans son enceinte à vide. Ces campagnes de mesure ont été complétées par des tests de l’électronique associée sur le tokamak WEST.
On trouve ainsi des capteurs de type bobine de Mirnov, des capteurs compacts de type LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic), des sondes hall, des Rogowskis, des capteurs de courant par fibre optique, etc.
Le CEA-IRFM a été impliqué dans l’ensemble des phases de développement du diagnostic magnétique d’ITER qui comprend près de 2000 capteurs de 19 types.
2000 capteurs de 19 types
L’ensemble de ces capteurs est placé dans un environnement contraint de par sa géométrie (certains capteurs font 40 m de long et doivent être souples), le volume disponible, la température allant de 4 à 500 Kelvin, les radiations, notamment les flux de neutrons. Le travail, réalisé pour l’agence domestique européenne F4E (Fusion For Energy), a consisté à sélectionner les types de capteurs adéquats, à définir leur configuration, à assurer leur intégration au sein même du tokamak, dans la chambre à vide et dans le cryostat. Enfin, de très nombreux tests de qualification ont été réalisés sur des capteurs prototypes.
Cette première phase terminée, les capteurs d’ITER ont été fabriqués par un industriel. Le CEA-IRFM a de nouveau été contacté par ITER Organization pour qualifier l’ensemble des
450 capteurs internes de l’enceinte à vide. Il s’agissait, principalement, de mesurer la réponse en fréquence de ces capteurs lorsqu’ils sont soumis à des champs magnétiques dont la fréquence varie de 20 Hz à 2 MHz, soit 5 ordres de grandeurs, ce qui est considérable pour un capteur. Le CEA-IRFM a ainsi développé un banc de test pour effectuer de telles mesures. En considérant le nombre de capteurs à qualifier et le nombre de mesures à réaliser, le banc de test a été entièrement automatisé par l’intermédiaire de la mise en place d’un logiciel de contrôle. L’ensemble de ce travail s’est déroulé durant les 2 dernières années et a généré une importante base de résultats. Ces derniers ont confirmé la conformité de chacun des 450 capteurs testés dont leur sensibilité à un champ magnétique variable.
Une électronique particulière réalisant l’intégration du signal d’un capteur (carte intégrateur) doit être associée aux capteurs magnétiques dits inductifs qui ne mesurent que les variations de champ magnétiques. Ces cartes électroniques doivent être développées et fournies par l’agence domestique Européenne (F4E). La qualification de leur conception comprend un test sur WEST en particulier pour vérifier la stabilité des mesures sur des plasmas de longue durée.
Echantillon de capteurs ITER
ayant été étalonnés
Un tel intégrateur a ainsi été connecté à un capteur placé dans la chambre à vide de WEST et les données ont été enregistrées durant 2 campagnes expérimentales de WEST soit près de 2500 chocs représentatifs de toutes les conditions qui seront rencontrées sur ITER : chocs de différente durée, variation lentes et rapide du champ magnétique, disruption, etc. Ces tests ont permis de valider la qualité des intégrateurs d’ITER en toute circonstance.
L’extension de ces tests sur WEST est en cours de discussion tout comme une participation du CEA-IRFM au développement d’intégrateurs pour le tokamak KSTAR en Coréen.