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Tokamak : les principes du confinement magnétique

Dossier - Iter : la fusion nucléaire par confinement magnétique
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L'humanité est confrontée à un défi grandissant : celui de la demande énergétique. Jusqu'à présent, la majorité de notre énergie est produite à partir de réserves fossiles : charbon, pétrole, gaz. Tôt ou tard, ces réserves viendront à disparaître. Il est donc nécessaire de recourir à des sources d'énergies non-fossiles.

  
DossiersIter : la fusion nucléaire par confinement magnétique
 
Intérieur d'Alcator C- Mod vue du Port A. © Bob Mumgaard CC BY-SA 3.0

1 - Confinement magnétique

Les particules du plasma, électriquement chargées, interagissent avec un champ magnétique selon la force de Lorentz (F=q v x B). Lorsqu'un plasma baigne dans un champ magnétique, les particules s'enroulent et suivent les lignes de champ magnétique. Dans un champ magnétique uniforme et en l'absence de collision ou de turbulence, les particules (plus exactement, leurs « centre-guide ») restent liées aux lignes de champs mais sont libres de se déplacer le long de celles-ci.

Illustration 9: Particule suivant une ligne de champ en hélice.Source : CEA, http://www-fusion-magnetique.cea.fr/fusion/physique/trajectoire.htm

Le confinement magnétique consiste alors à créer une configuration du champ magnétique permettant de confiner efficacement le plasma. Actuellement, la majorité de l'effort de recherche européen est concentré sur cette approche.

2 - Configuration magnétique

On pourrait en principe construire une machine consistant en un long solénoïde dans le lequel les particules seraient confinées radialement mais libres le long de la direction axiale.

Illustration 10: Principe d'un confinement magnétique radial : les particules sont libres de se déplacer selon la direction du champ magnétique, mais pas perpendiculairement à celui-ci.

Toutefois, avec la technologie actuelle, le temps de confinement (c'est-à-dire le temps nécessaire au plasma pour qu'il cède son énergie à son environnement extérieur7) nécessaire pour obtenir une probabilité réaliste d'une réaction nucléaire serait si grand, qu'un tel dispositif nécessiterait une longueur de plusieurs milliers de kilomètres !

L'idée la plus intuitive, est de courber le dispositif afin que les deux extrémités se rejoignent : on obtient de cette façon un tore. On parle de champ magnétique toroïdal.

Toutefois, le champ magnétique ainsi créé n'a pas la même amplitude selon sa position radiale : le champ est plus fort à l'intérieur qu'à l'extérieur. Lors de leur trajet le long des lignes de champ toroïdal, les particules subissent une force qui les dirige vers l'extérieur, dû à la somme de la force centrifuge ainsi qu'à l'effet du gradient de champ magnétique. Il en résulte une dérive verticale des particules, les électrons dérivant dans la direction opposée des ions à cause de leur opposition de charges électriques. Cette séparation engendre alors un courant qui tend à faire dériver ions et électrons vers l'extérieur du tore. Le plasma résultant de cette configuration est alors très instable.

3 - Tokamak

Cet effet catastrophique de dérive peut être évité en « tordant » les lignes de champs de manière hélicoïdale. De cette manière, ions comme électrons se retrouve en haut comme en bas autour de leurs rotations autour du tore. Ceci est réalisé en ajoutant un champ magnétique supplémentaire. Plusieurs méthodes ont été développées. Une des méthodes consiste à ajouter des bobines supplémentaires autour du tore : c'est le principe des stellerators. Une autre méthode consiste à créer un courant intense (de l'ordre de plusieurs Méga-Ampères) à l'intérieur du plasma, courant qui va lui-même générer le champ magnétique supplémentaire :  c'est le principe des tokamaks, inventé par les scientifiques russes Igor Tamm et Andreï Sakharov. En pratique, ce courant est généré dans le plasma par induction, à la manière d'un transformateur électrique dont le secondaire serait le plasma.

Or, d'après l'équation de Maxwell-Faraday (rot E = −∂B/∂t), un champ électrique ne peut être obtenu que par une variation monotone du champ magnétique . La quantité de flux magnétique disponible étant finie et définie par le circuit primaire, on ne peut maintenir le champ électrique et donc le courant dans le plasma que pendant une durée limitée. Dans ces conditions, le tokamak ne peut fonctionner qu'en mode pulsé. Pour s'affranchir de cette limitation inhérente d'autres méthodes dites non-inductives existent  comme l'injection de faisceaux de particules neutres ou l'injection d'ondes électromagnétiques.

Enfin, la majorité des expériences actuelles utilisent des bobinages en cuivre pour créer le champ magnétique toroïdal. Or, l'échauffement ou le coût de la consommation d'électricité de ces bobines limite la durée d'utilisation. L'utilisation de bobinages supraconducteurs réduit considérablement l'énergie nécessaire à la création du champ magnétique de confinement. L'association Euratom-CEA a construit au début des années 1980 le tokamak Tore Supra. Cette machine en opération depuis 1988, est équipée de bobines toroïdales supraconductrices et a permis de réaliser des décharges plasma de plus de 6 minutes en injectant une énergie supérieure à 1GJ, un record mondial jusqu'à maintenant toujours inégalé. Pour réaliser ce record, les chercheurs sont parvenus à faire cohabiter, à moins d'un mètre de distance, des températures allant de - 271°C à 100 millions de degrés, ce qui est probablement le gradient de température le plus important de l'univers !. 

7 - On définit le temps de confinement du plasma comme rapport de son énergie sur la somme des puissances perdues.