EXPÉRIENCES SUR LES CONFIGURATIONS A CONDUCTEUR CENTRAL

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Submitted on 1 Jan 1968

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EXPÉRIENCES SUR LES CONFIGURATIONS A CONDUCTEUR CENTRAL

J. Adam, Alvarez de Toledo, P. Rebut, A. Torossian

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J. Adam, Alvarez de Toledo, P. Rebut, A. Torossian. EXPÉRIENCES SUR LES CONFIGURATIONS A CONDUCTEUR CENTRAL. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-164-C3-169.

�10.1051/jphyscol:1968339�. �jpa-00213578�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3, supplément au no 4 , Tome 29, Avril 1968, page C 3 - ¹⁶⁴

EXPÉRIENCE s

SUR LES CONFIGURATIONS A CONDUCTEUR CENTRAL

J. ADAM, F. ALVAREZ DE TOLEDO, P. H. REBUT et A. TOROSSIAN

Groupe de Recherches de l'Association EURATOM-CEA sur la Fusion, 92, Fontenay-aux-Roses, France

Résumé. - Depuis 1960 des expériences sur les configurations à conducteur central effectuées sur des machines rectilignes MEST, EPPE et sur une machine toroïdale STATOR ont montré que les fluctuations de champ magnétique présentaient toujours les caractères des instabilités de cou- rant décrits par P. H. Rebut et que dans des conditions bien définies il était possible de réduire considérablement ces fluctuations et d'augmenter le temps de vie.

Abstract. - Experiments made on several hard core machines (straight machines MEST and EPPE, toroidal machine STATOR) have shown that the magnetic fluctuations observed are always in good agreement with the

current instabilities

described by P. H. Rebut. For a particular set of experimental conditions, the magnetic fluctuations become very small and the lifetime of the plasma increases appreciably.

Les premiers travaux sur la configuration à conduc- teur central

hard core » ont commencé à Fontenay- aux-Roses en 1959 siir la machine MEST [l] et se poursuivent actuellement sur EPPE [2] et sur STATOR, cette dernière étant une version toroïdale de la confi- guration hard core. Ces configurations ont comme propriétés esseritielles d'avoir un très fort cisaille- ment des lignes de champ magnétique ((( shear ») et d'être stable du point de vue de la magnétohydrody- namique parfaite.

Les expériences sur les machines linéaires MEST et EPPE (figure 1) ont montré que dans des conditions expérimentales bien définies les fluctuations de champs magnétiques diminuaient considérablement et que la durée de vie du plasma augmentait de façon significa- tive. Comme on peut le constater sur les figures 2 et 3.

Les fluctuations que nous avons toujours observées sur ces expériences présentaient toutes les caractéris- tiques des modes décrits par P. H. Rebut dans les instabilités de courant [3]. Rappelons que dans cette théorie, basée sur les propriétés des équilibres voisins, le plasma n'est plus fortement lié au champ magné- tique comme c'est le cas dans l'approximation M. H.

D. et que les changements de topologie sont possibles ; de ce fait le domaine de stabilité est sérieusement réduit.

La figure 4 illustre ce modèle.

Si le courant dépasse une valeur critique on observe une cassure dans la zone la plus étroite et la configu-

ration hard core initiale se transforme en pinch heli- coïdal et entraîne ses propres instabilités.

En plus de la vérification qualitative et quantita- tive de cette théorie les expériences sur EPPE ont permis de montrer que le chauffage ohmique du plasma est incompatible avec les conditions de stabilité et que le temps de vie du plasma est principalement limité par la diffusion résistive des champs magnétiques à travers le plasma. Les résultats obtenus sur EPPE étaient les suivants :

DensitC électronique . . . . . . . . . . 2,5 x 10'5/cm3 Température électronique . . . 45 eV

Pression cinétique. . . . . ^. . . . . ^{. .} . ^. 0,4 kg/cm2 Temps de confinement. . . . . . . . 200 ps Champs magnétiques . . . ^. . . . 15 000 gauss.

En conclusion nous croyons que dans les configu- rations

hard core

droites le temps de vie du plasma est principalement limité, dans les cas les plus stables, par la présence des électrodes et des pertes d'énergie et de particules qui leur sont liées. Les électrodes limitent aussi la température électronique étant don- née la très grande conductibilité thermique des élec- trons.

En vue d'éviter ces problèmes liés aux électrodes nous avons construit un appareil toroïdal dans lequel tous les courants sont induits, le chauffage pouvant

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968339

EXPÉRIENCES S U R LES CONFIGURATIONS

FIG. 1 . - Schéma de principe d'EPPE et diagramine des ordres de déclenchement des différentes batteries de condznsateurs.

Cwrent

m o r . du Plasma 25 kA

BZ 0 R.4077 S O ~ S / O ~ )

du Plermo 5 6 k A

BZ à R - k m 2 ~ q l c m

mor.

Plormo 8 0 k ~

Fig. 2. - Signaux de sondes n~agnétiqiies Br et courant J , , dans le plasma.

Les signaux de gauche représentent le signal donné par une sonde magnétique placée au cocur du plasma à R = 4 cm pour différentes intensités du courant dans le plasma (oscillogrammes de droite).

Lorsque l'intensité du courant est faible le signal de la sonde est lisse mais le temps de confinement f c est court.

En augmentant le courant dans lc plasma, le plasma reste toujours stable (absence de fluctuations sur la sonde magné- tique) et t c croit.

Si l'intensité dépasse 100 kA des instabilités apparaissent et le temps de confinement décroît.

BZ & .Q- h 2 0 , ' f . J /cm

m o r . du Piormo ~ @ X A

C 3 - ^{166 J. ADAM.} F. ALVAREZ D E TOLEDO. P. H. REBUT ET A. TOROSSIAN

gros modes. De plus, on peut réduire considérablement les fluctuations de Br en diminuant le courant dans le plasma : ces fluctuations sont inférieures à quelques gauss par i plasma - ^{5 000 A.} Pour des courants aussi faibles le confinement du plasma n'est pas très net et les observations sont de ce fait très difficiles.

L'exploitation des signaux obtenus avec les sondes électriques s'est révélée très difficile et les résultats sont tout à fait préliminaires.

Lorsque le courant est supérieur à quelques mil- liers d'ampères, des fluctuations magnétiques sont observées en même temps que des fluctuations G.

Ces fluctuations de & correspondent à presque 30 0/, de modulation dans les cas les plus stables, et les oscil-

50 150

250

lations de potentiel <P associées dépassent 10 volts.

F I G . 3. - Dépendance du temps de confinement r , avec Dans ce cas, on observe simultanément un niveau de I'intensitc du courant dans Ic plasma. champ magnétique Br à la paroi supérieur à 0,s gauss ;

- AU-dcssous de 100 kA le plasnia est stable et peut s'échauf- par contre, on a observé que le niveau de ces fluctua- fer par effet Joulc : la résistivité décroît lorsque le courant tions tombe dès que le courant diminue : augmcnte et la diffusion des champs magnétiques à travers le

plasma est plus lente. pendant la période de décroissance de G, le plasma

- ~ ~ de 100 k~ - les instabilités détruisent la configu- d ~ ~ ~ apparaît relativement ~ ~ PIUS ~ callne. On ne dispose pas ration et 1, dbcroît. La disprrsion des points n'est pas une dis- actuellement de mesures de température qui per- persion statistique rnais représente des conditions diffkrcntes mettent de le niveau des fluctuations ilec-

d'équilibre. trostatiqucs possibles. On sait simplement que la tem-

pérature doit diminuer principalement cause des tiges qui plongcnt dans le plasma et de la réiiijection.

Ces observations sont rendues dificiles parce qu'il n'est pas possible actuellement de réduirc suffisam- ment le courant Jli nécessaire pour établir et entrete- nir un plasma : ce courant doit être d'autant plus important que les fuites d'énergie sont plus impor- tantes ; c'est justement le cas de Stator A où les volutnes morts importants constituent de fortes réserves de gaz neutre qui assurent une grande perte d'énergie et imposent des valeurs élevécs de JI,.

Frü. 4. - Déplaccincnt des frontières du plasnia. L'adjonction d'un chauffage H F sur Stator facili- a ) Dkplaceinent des frontières en opposition de phase corres- tera les observations. Une machine toroïdale suppri- pondant à un groupement du plasma (m

1). mant la plupart de ces défauts est actuellement en

h) DCplacernent des frontikres en phasct correspondant à

cours de réalisation.

une variation de position. le plasma restant cylindrique (171 = 1).

Les principales caractéristiques du plasma obtenu sur Stator A sont résumées ci-dessous :

être obtenu par absorption d'ondes à la fréquence

. . .

cyclotronique des ions. Temps de confinement 400 ps

. . .

La première expérience toroïdale STATOR A Pression cinétique 0,l kg/cm2 figures 5 et 6 , a été conçut pour vérifier que la version Température électronique . . . 100 eV toroïdale de la configuration hard tore ne présentait Densité éICctr0niquc. . . . 1 0 ' 4 / ~ m 3 pas dc nouvclles instabilités et aussi pour améliorer les Les diagnostics suivants ont été utilisés :

résultats obtenus sur EPPE.

Les observations faites à l'aide des sondes Br sont - Sondes magnétiques pour la mesure de la réparti-

représentées sur la figure 7. tion radiale des champs magnétiques Bo, B,. Les profils

On constate que les profils obtenus à divers instants des champs magnétiques nous permettent de calculer

Ic long d'un rayon préscntent bien les caractères des les courants locaux et d'cn déduire la pression ciné-

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tique. Ces sondes permettent aussi de suivre les l'apparition successive des différentes raies d'impuretés fluctuations magnétiques ; mélangées en quantité connue dans le gaz de la décharge : ces mesures sont faites dans ?U.V. Un

- T/zerrnocouples. - Une ligne de sondes ther-

spectrographe dans le visible nous permet de suivre iniques disposée radialement donnait pour chaque

l'ionisation par l'observation de Dg.

expérience le profil radial de l'énergie globale dans

- La mesure de la densité est obtenue par inter- le plasma.

féromètrie micro-onde « 2 mm n.

- Spectroscopie. ^-- La mesurc dc la température - Des sondes électriques diverses nous permettent électronique est déduite d'une méthode basée sur de suivre les fluctuations électriques dans le plasma.

FIG. 5 . - Schémas de STATOR A

J. ADAM, F. ALVAREZ DE TOLEDO, P. H. REBUT ET A. TOROSSLAN

FIG. 6 . - Schémas de STATOR A.

EXPÉRIENCES SUR LES CONFIGURATIONS C 3 - ¹⁶⁹

Fiü. 7. - Signaux de Br

pour un courant maximum de 25 000 A dans le plasma.

Conclusion. - Ces diverses expériences ont mon- tré que dans des conditions expérimentales bien défi- nies et en accord avec la théorie il a été possible de rCduire très fortement les fluctuations magnétiques et d'augmenter la durée de vie du plasma. De plus une analyse détaillée a montré que ces fluctuations pré- sentaient bien les caractères des instabilités de courant décrits par P. H. Rebut.

Un travail similaire est actuellement en cours pour 1'Ctude des fluctuations électrostatiques en vue d'éta- blir des corrélations entre fluctuations magnétiques et électriques. On peut cependant dire que ces fluctua- tions électriques sont d'un niveau très .faible et que les mesures sont rendues de ce fait malaisées.

FIG. 8. - Profil des champs magnétiques Br à divers instants.

Références

[ l ] REBUT (P. H.), TOROSSIAN (A.), Plasmas stables dans une décharge du type cc striction inverse

J.

Nuclear Energy, 1963, Part C , 5, 3, 133.

[2] ADAM (J.), REBUT (P. H.), TOROSSIAN (A.), Stabilité des plasmas obtenus dans EPPE, Rapport C E A no R 2713-EUR 2176 f, 1964.

[3] REBUT (P. H.), Instabilités non magnétohydrodyna-

miques dans les plasmas à densité de courant

élevée, J. Nuclear Energy, 1962, Part C , 4, 3, 159