Enjeux scientifiques et technologiques

 

Consolider les régimes de référence du plasma

La définition d’un régime de fonctionnement de référence pour le plasma a fait l’objet de progrès continus, à la fois pour obtenir des décharges performantes et des décharges de longue durée. Ceci a permis de dimensionner ITER. Afin de préparer l’exploitation optimale d’ITER et son extrapolation vers DEMO, la communauté scientifique étudie les processus physiques à l’oeuvre, et en particulier les instabilités liées aux turbulences du plasma.

En effet, l’énergie apportée au plasma pour le chauffer aux températures thermonucléaire est à l’origine d’instabilités de deux types : les instabilités macroscopiques pouvant conduire à la perte du plasma et les instabilités microscopiques engendrant une turbulence qui dégrade l’isolation du plasma, et donc son temps de confinement.

- Les instabilités macroscopiques peuvent engendrer des déformations à l’échelle du plasma lui-même, provoquant des déplacements d’ensemble du plasma vers la paroi, menant potentiellement à un refroidissement du plasma voire à sa disparition. Ces pertes majeures de confinement (disruptions) compromettent le maintien de la réaction. Aujourd’hui, grâce aux progrès du contrôle en temps réel de la configuration tokamak et de la performance du plasma, ces macro-instabilités sont bien maîtrisées. Toutefois, elles peuvent réapparaitre lorsque l’on pousse le plasma à ses limites. Dans un réacteur de fusion à usage industriel, le taux d’utilisation de la machine devra être très élevé, de l’ordre de 80 %. Les disruptions du plasma et autres imprévus devront donc être écartés. Il s’agira principalement de choisir les paramètres de fonctionnement de l’installation suffisamment éloignés des valeurs limites susceptibles d’entraîner ces dysfonctionnements. Dans les situations où de telles disruptions s’enclencheraient malgré tout, le tokamak sera équipé de systèmes les détectant puis limitant leurs effets (« soft landing »), systèmes mis au point sur les tokamaks actuels, et dont ITER bénéficiera intégralement.

- Les instabilités microscopiques engendrent de la turbulence qui dégrade les qualités d’isolation thermique du plasma, donc ses performances. Dans l’anneau de plasma confiné au sein du tokamak, seul le coeur du plasma, environ 10-20 % de son volume total, est en fusion. Les températures atteignent à cet endroit plusieurs centaines de millions de degré. Les 80-90% du plasma restants jouent en fait le rôle d’isolant entre la partie en fusion du plasma et les parois du tore qui l’accueillent. La turbulence qui accroit le transfert de la chaleur du centre du plasma vers les bords est donc un phénomène que l’on veut minimiser, afin d’augmenter le rendement global du processus. Le scénario standard d’opération d’ITER est basé sur un régime dans lequel la turbulence est fortement réduite à la périphérie du plasma, provoquant ce que l’on appelle une barrière de transport. Accroître l’effet de cette barrière de transport ou en constituer à d’autres endroits du plasma permettrait d’augmenter les performances d’ITER à des gains (Q) supérieurs à 10, voire jusqu’à l’ignition.

Les phénomènes de turbulence restent encore extrêmement difficiles à modéliser : il s’agit en effet d’un problème multi-échelle aussi bien spatial que temporel se déroulant dans un milieu très complexe : fortes températures, milieu magnétisé, densités de courant élevées... Durant ces dernières années, l’augmentation de performance des supercalculateurs a permis des progrès considérables dans cette compréhension. Avec l’arrivée prévisible de supercalculateurs au niveau de l’Exaflops, il sera possible dans peu de temps de prendre en compte l’ensemble des échelles gouvernant la turbulence et donc d’en comprendre les mécanismes intimes. Comprendre et maîtriser les turbulences du plasma suppose à la fois d’approfondir les connaissances en physique des plasmas mais aussi de développer des instruments de diagnostic permettant la validation expérimentale de la modélisation. C’est ce qui se déroule actuellement sur bon nombre de tokamaks dans le monde.

Mise à jour : 14/12/2018