Le journal Plasma Physics and Controlled Fusion (PPCF) publie désormais des articles « Roadmap », dont l’objet est de faire l’état de l’art et définir les axes de recherche prioritaires dans certains domaines. Un tel article vient d’être publié à propos des conséquences des électrons découplés dit « runaways » dans les tokamaks, auquel le CEA-IRFM a apporté une contribution importante.
Dans les tokamaks, dispositif de confinement magnétique pour produire des réactions de fusion nucléaire, certaines circonstances peuvent conduire au « découplage » d’une partie des électrons d’avec le reste du plasma, électrons que l’on appelle alors « runaways ». Ce phénomène est lié au fait que la force de friction subie par un électron via ses collisions coulombiennes avec les autres particules décroit comme le carré de sa vitesse. En présence d’un champ électrique suffisamment intense, la force accélératrice liée à ce champ peut, pour certains électrons, être supérieure à la force de friction. Ceci se produit notamment lors des disruptions, pertes brutales du confinement qui induit un champ électrique intense dans le plasma. Les runaways finissent alors par former un faisceau d’électrons voyageant pratiquement à la vitesse de la lumière et atteignant des énergies de plusieurs MeV voire dizaines de MeV. Le tokamak se comporte alors en quelque sorte comme un accélérateur de particules ! Un tel faisceau peut impacter les Composants Face au Plasma (CFP) et engendrer des dégâts constituant une menace pour leur intégrité avec des conséquences potentiellement sévères sur la disponibilité du tokamak.
Un article « Roadmap » dans le journal Plasma Physics and Controlled Fusion (PPCF) publié récemment [1] fait le point sur ce sujet. Il cite 488 références et est constitué de 11 sections d’environ 4 pages chacune. Chaque section est écrite par les principaux chercheurs du domaine concerné. Le CEA-IRFM y a apporté une contribution substantielle, notamment concernant les observations sur JET et WEST, et la modélisation.
L’article recensent les observations de dégâts générés par des impacts de runaways sur les machines passées ou actuelles. Ces observations sont souvent le résultat d’accidents, mais des expériences dédiées ont également été réalisées, notamment dans WEST. L’éjection de débris solides et parfois de gouttelettes dans le cas de CFPs métalliques est souvent observée. L’analyse post-mortem révèle typiquement une forte érosion pour les CFPs fragiles (e.g. C ou BN) et des zones fondues avec des marques d’éclaboussures pour les CFPs métalliques (cf. Fig. 1). Des neutrons sont produits lors de l’interaction entre les runaways et les CFPs, et l’activation de ces derniers est observée, notamment sur WEST. Une observation remarquable est la possibilité d’impacts « bénins », c’est-à-dire ne produisant aucun dégât visible. Une recette empirique a été identifiée pour obtenir de tels impacts, qui fonctionne sur plusieurs tokamaks et est une voie étudiée pour atténuer les conséquences des faisceaux de runaways.
La modélisation de ces phénomènes est complexe et comprend de nombreux aspects, depuis la formation d’un faisceau de runaways, via les mécanismes conduisant à son impact sur les CFPs, jusqu’à l’interaction des runaways avec la matière au sein des CFPs et les effets qui en résultent sur ces derniers. Les modèles se sont fortement développés ces dernières années, mais des efforts restent à fournir pour aboutir à une modélisation complète et cohérente.
Les perspectives pour ITER et les autres futurs grands tokamaks sont évoquées. Une attention particulière est portée pour éviter la formation de faisceaux de runaways dans ces machines. Un effort important de modélisation a déjà été fourni en ce sens, notamment pour ITER. Cependant, la tâche est difficile car les mécanismes de génération de runaways s’amplifient avec la taille du tokamak. Il est également incertain qu’il soit possible d’accéder à des impacts bénins dans ITER. Il est donc essentiel d’estimer les conséquences d’impacts de faisceaux de runaways sur les CFPs pour optimiser leur conception. Un effort dans ce sens est en cours [2] et va être poursuivi dans les prochaines années, suivant les axes définis dans cet article PPCF Roadmap.
Fig. 1 : Dégâts créés par des runaways dans WEST sur des tuiles en W du limiteur côté faible champ (a) et sur des monoblocs en W du divertor (b).
[1] S. Ratynskaia et al., Runaway electron-induced plasma facing component damage in tokamaks, Plasma Phys. Control. Fusion, in press (2025), https://doi.org/10.1088/1361-6587/ae1c6c
[2] R. Pitts et al., Plasma-wall interaction impact of the ITER re-baseline, Nuclear Materials and Energy 42 (2025) 101854, https://doi.org/10.1016/j.nme.2024.101854