Généralités sur les tokamaks

Généralités sur les tokamaks

La fusion nucléaire comme réponse à de nouveaux besoins en énergie

Les développements industriels et démographiques des sociétés humaines ont été accompagnés de besoins énergétiques croissant depuis plusieurs décennies. À plusieurs milliards d’individus sur Terre, il a été nécessaire de définir une politique énergétique afin de garantir l’approvisionnement et d’anticiper les conséquences de  la consommation. À l’échelle de nations ou de regroupements de nations, les organisations politiques diversifient les sources d’énergie et recherchent le délicat équilibre entre celles-ci. Le concept de bouquet énergétique est né, cherchant à optimiser l’offre en tenant compte, par exemple, de la rareté et de la localisation des ressources, des contraintes et du coût de leur exploitation, de l’impact environnemental à différentes échelles de temps et d’espace, de l’opinion publique ainsi que de la qualité des relations internationales entre producteurs et consommateurs. Ainsi, les choix sont réalisés selon des facteurs techniques et humains. Le sol terrestre est un gisement considérable de matériaux utiles à la production d’énergie, mais certaines ressources sont consommées beaucoup plus rapidement que leur temps caractéristique de renouvellement, s’il peut être défini. On qualifie ces énergies de non renouvelables. On y compte les sources d’énergie majoritaires, de type fossile : pétrole, charbon, gaz naturel, gaz de schiste ou non fossile : uranium, thorium, etc., nécessaires à la fission nucléaire. Des efforts relativement récents cherchent à augmenter la part de la consommation énergétique liée aux énergies renouvelables, telles l’éolien, l’hydroélectrique, la biomasse, la géothermie, le solaire photovoltaïque et thermique, etc. Aucune solution universelle n’existe à ce jour : les énergies fossiles sont mises en cause pour leur contribution à la pollution atmosphérique et à l’effet de serre. Le gaz naturel, relativement prometteur, est mal réparti sur la planète et pose des problèmes géopolitiques. Dans le cas du gaz de schiste, les méthodes actuelles d’extraction du soussol sont contestées. La fission nucléaire résout en apparence les inconvénients des énergies fossiles mais son exploitation, dangereuse, demande beaucoup de rigueur, tandis que le traitement des déchets de la filière pose des défis encore non résolus. Les énergies renouvelables sont séduisantes mais sont difficiles à mettre en œuvre à l’échelle de la demande mondiale. Dans ce contexte, la recherche pour la production d’énergie à partir de fusion nucléaire prend tout son sens. Cette technique promet une production d’énergie à grande échelle tout en estompant fortement les difficultés associées à la fission (risques de défaillance et défi du traitement des déchets). Par ailleurs, les combustibles sont accessibles en grandes quantités sur Terre.

Principes de la fusion nucléaire

La fusion nucléaire consiste à faire fusionner deux noyaux atomiques pour former un élément plus lourd. De façon simplifiée, lors de la fusion de deux noyaux, deux forces sont en compétition : la force électrostatique, répulsive et à longue portée, et l’interaction forte, attractive et à plus courte portée. Le bilan d’énergie lié à la réunion des noyaux change avec la masse de ceux-ci (cf. figure 1.1). Pour les espèces les plus légères (de l’hydrogène au fer), un excédent d’énergie apparaît, sous forme d’énergie cinétique des produits de réaction ou de rayonnement. La réaction dégage une grande quantité d’énergie par nucléon, ce qui en fait une des sources d’énergie les plus concentrées. Pour les espèces les plus lourdes, le bilan énergétique est négatif. Pour cette raison, les projets de fusion nucléaire se concentrent sur les éléments légers tels l’hydrogène et ses isotopes, alors que la fission nucléaire n’est opérée que sur des éléments lourds.

La fusion existe déjà dans la nature, par exemple au cœur du Soleil. De façon générale, les étoiles trouvent leur énergie dans la fusion thermonucléaire des protons qu’elles contiennent en leur cœur. L’ambition des programmes de recherche en fusion est de produire une réaction analogue sur Terre. Le principal obstacle à la réalisation de la fusion sur Terre est la barrière d’énergie électrostatique qu’il est nécessaire de franchir. Concrètement, cela signifie qu’il faut communiquer suffisamment d’énergie aux noyaux pour obtenir des réactions de fusion. Lors des impacts trop faibles, le choc entre noyaux est de type élastique, au bilan neutre en énergie. Dans le cœur du Soleil, le confinement est assuré par la gravité et les réactions de fusion ont lieu grâce à la très haute densité du milieu, environ cent cinquante fois plus grande que celle de l’eau sur Terre, associée à une température très élevée, de l’ordre de quinze millions de degrés. Sur Terre, l’Homme a d’abord pu produire de telles réactions de façon explosive et incontrôlée, à des fins militaires, en concevant la bombe H. La réalisation de la fusion à des fins domestiques est toujours à l’état de développement. Un des grands défis liés à la réalisation de cette réaction est le besoin de porter le cœur du plasma à une température extrême (plusieurs dizaines de millions de degrés) tout en évitant de faire fondre l’enceinte, avec un plasma suffisamment froid au bord. Un critère, dit de Lawson, permet d’exprimer que la puissance dégagée par les réactions de fusion (Pf usion) est supérieure à la puissance de chauffage qui a dû être consommée pour porter le plasma à une température suffisante (Pchau f f age). Ce critère montre que le produit entre la densité n, la température T et le temps de confinement τE doit être suffisamment élevé. Le temps de confinement désigne le temps caractéristique de refroidissement du plasma.

Écoulements

Parmi les écoulements contribuant à V, l’un deux qui fait l’objet d’une attention particulière dans ce travail de thèse est l’écoulement dans la direction perpendiculaire, dit de dérive E ×B. Par la suite, le terme de direction perpendiculaire, sans davantage de précisions, désignera la direction tangente à la surface magnétique et perpendiculaire aux lignes de champ. Cette direction est la complémentaire de la direction parallèle, le long des lignes de champ, et de la direction suivant le petit rayon. Il est possible d’adopter deux bases orthonormées de coordonnées selon les besoins : er , eθ , eϕ  et er , e⊥, ek  . Dans le cas de cette dérive, un champ électrique E, radial dans ce contexte, modifie l’orbite de Larmor des particules chargées et engendre une dérive perpendiculaire à la fois à E et au champ magnétique, soit dans la direction perpendiculaire. Cette dérive est identique pour les ions et les électrons et son expression est VE×B = (E×B)/B² . Si E est perpendiculaire à B, la norme de cette vitesse est V = E/B, pouvant atteindre plusieurs kilomètres par secondes dans les conditions d’opération. Les phénomènes physiques pouvant générer E seront présentés plus tard .

Transport

Dans les plasmas expérimentaux la présence d’un gradient de pression à travers les surfaces magnétiques, inhérent au principe de la fusion par confinement magnétique, induit un transport radial de la chaleur et des particules. Plusieurs contributions s’additionnent, d’origine collisionnelle ou turbulente .

Transport néoclassique

Sous l’effet des collisions, une particule se déplacant à proximité d’une surface magnétique migre d’une surface magnétique à une autre, des régions de forte densité (forte pression) vers les régions moins denses. Dans la description classique, on peut modéliser simplement ce transport collisionnel par une marche aléatoire entre lignes de champ, avec un saut de longueur ρL à la fréquence de collision ν. Le coefficient de transport associé est de l’ordre de Dc ∼ νρ2 L . Le transport classique pourrait par exemple décrire le transport dans une colonne cylindrique de plasma. La courbure torique du plasma fait apparaître des trajectoires particulières de particules qui augmentent nettement le transport. Le modèle de transport collisionnel adapté à la géométrie torique du plasma est appelé modèle néoclassique.

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Table des matières

Introduction
1 Contexte – transport dans un plasma de tokamak et mode géodésique acoustique
1.1 Généralités sur les tokamaks
1.1.1 La fusion nucléaire comme réponse à de nouveaux besoins en énergie
1.1.2 Principes de la fusion nucléaire
1.1.3 Technique de confinement magnétique
1.1.4 Équilibre d’un plasma de tokamak
1.1.5 Écoulements
1.2 Transport
1.2.1 Transport néoclassique
1.2.2 Transport turbulent
1.3 Mode Géodésique Acoustique – contexte théorique et expérimental
1.3.1 Observation et identification du GAM
1.3.2 Prédiction théorique de la fréquence GAM
1.3.3 Excitation du GAM et interaction de celui-ci avec les flots zonaux et la turbulence
1.3.4 Amortissement linéaire du GAM
1.3.5 Structure radiale du GAM
2 Mesure par réflectométrie Doppler
2.1 La réflectométrie Doppler
2.1.1 Principe
2.1.2 Principes de la diffusion collective
2.1.3 Système électronique à détection hétérodyne
2.1.4 Propriétés du faisceau sonde
2.1.5 Propagation du faisceau dans un plasma non turbulent
2.1.6 Pilotage
2.1.7 Localisation de la mesure et tracé de rayon
2.1.8 Forme des spectres en fréquence
2.2 Mesure du profil radial de la densité électronique
2.2.1 Détermination de la densité par interférométrie
2.2.2 Détermination de la densité par réflectométrie
2.2.3 Traitement et assemblage des mesures de densité
3 Asymétrie poloïdale de la vitesse perpendiculaire des fluctuations de densité
3.1 Comparaison de la vitesse perpendiculaire des fluctuations à deux angles poloïdaux
3.1.1 Sélection des décharges pour cette étude
3.1.2 Mesures de V⊥
3.2 L’asymétrie de V⊥ est-elle liée à une asymétrie du potentiel électrostatique ?
3.2.1 Reformulation des résultats en unités de champ électrique parallèle
3.2.2 Effets de courants sur le champ électrique parallèle
3.2.3 Étude de l’équilibre parallèle des forces
3.2.4 Symétrie poloïdale du champ électrique radial dans une simulation GYSELA avec ripple
3.2.5 Conclusion
3.3 L’asymétrie de V⊥ est-elle liée au comportement des fluctuations ?
3.3.1 Des conséquences de l’orientation des fluctuations
3.3.2 Détection de fluctuations de vitesses de phase différentes
3.3.3 Conclusion
4 Détection et caractérisation du mode géodésique acoustique dans les signaux d’expérience et de simulation.
Application à un cas expérimental.
4.1 Détermination de l’évolution temporelle de la vitesse perpendiculaire des fluctuations de densité dans
l’expérience
4.1.1 Stratégie d’analyse
4.1.2 Présentation de l’analyse par classification en signaux multiples
4.1.3 Implémentation de l’analyse par classification en signaux multiples
4.1.4 Cas de signaux contenant également des variations de basse fréquence
4.2 Caractérisation de la dynamique des oscillations de vitesse perpendiculaire
4.2.1 Stratégie d’analyse
4.2.2 Transformée de Hilbert-Huang
4.2.3 Applications de la transformée de Hilbert-Huang
4.3 Étude des propriétés du GAM lors d’un changement de point de contact du plasma
4.3.1 Contexte d’étude : couplage des flots dans la SOL et le plasma de bord
4.3.2 Modification de l’intensité des GAMs
Conclusion

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