Notions de base sur les tokamaks

Le triple produit et facteur d’amplification « Q »

Les performances d’un plasma de fusion ou son facteur d’amplification « Q » (rapport entre l’énergie investie et l’énergie produite) sont caractérisées par le produit de trois paramètres : densité, température et temps de confinement de l’énergie.

La température doit être suffisante pour que la vitesse des noyaux leur permette de vaincre la répulsion électrique, et pas trop élevée pour que les noyaux aient le temps de fusionner. La valeur optimale est de l’ordre de 150 à 200 millions de degrés.
La densité de la matière au sein du plasma doit être supérieure à 10²⁰ particules par m³ afin que la probabilité de rencontre des noyaux soit suffisante.
Le temps de confinement, c’est à dire le temps que le plasma met pour se vider de sa chaleur si l’on coupe sa source d’énergie, doit être supérieur à 1 seconde. Plus le temps de confinement est élevé, moins le plasma perd d’énergie. D’une certaine façon, cette donnée caractérise la qualité de l’isolation thermique du plasma.

Lorsque Q = 1, la puissance générée par le plasma est égale à la puissance apportée de l’extérieur pour le maintenir. On appelle cet état le breakeven.

Lorsque Q = ∞ (infini), cela signifie que la puissance apportée de l’extérieur est nulle. Le plasma est autochauffé : on dit qu’il est en ignition.

L’installation de recherche ITER a été conçue pour atteindre un facteur d’amplification 10 fois supérieur à la puissance injectée (Q = 10), sur des temps de l’ordre de 400 secondes : elle devra ainsi fournir 400 MW d’énergie à partir d’une puissance injectée de 40 MW.

Pour être rentable, un réacteur industriel devrait atteindre Q = 20-30.

Le chauffage du plasma

Pour atteindre une température supérieure à 100 millions de °C dans un plasma, plusieurs méthodes sont employées :

Le courant qui circule dans le plasma contribue à le chauffer grâce à l’effet de résistance électrique (effet Joule). Néanmoins, il n’est pas suffisant pour dépasser 20 à 30 millions °C.
Une méthode de chauffage additionnel consiste à injecter dans le plasma des atomes neutres de deutérium fortement accélérés (à des énergies largement supérieures à celle des particules du plasma). Les collisions entre ces particules et celles du plasma redistribuent l’énergie et la température du plasma augmente.
Une technique complémentaire consiste à coupler des ondes électromagnétiques au plasma, via des antennes installées à la périphérie de la chambre à vide. L’absorption de l’onde par certaines particules du plasma, selon la fréquence utilisée, provoquera également l’augmentation de la température du plasma.

Dans la pratique, le confinement et le chauffage du plasma sont bien plus délicats à assurer que ce qu’avancent les modèles théoriques simples basés sur les collisions des particules, en partie à cause des turbulences internes qui se développent au sein du plasma. De plus, le plasma subit des pertes thermiques diverses, par rayonnement et par conduction, qui rendent difficiles l’obtention de conditions stables avec des facteurs d’amplification élevés.