FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE DANS UNE STRUCTURE A MIROIRS

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FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE

DANS UNE STRUCTURE A MIROIRS

C. Gormezano

To cite this version:

C. Gormezano. FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE DANS UNE

STRUC-TURE A MIROIRS. Journal de Physique Colloques, 1977, 38 (C3), pp.C3-187-C3-195.

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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C3, supplément au no 8, Tome 38, Août 1977, page C3-187

FUSION PAR

CONFINEMENT

MAGNÉTIQUE

DANS UNE STRUCTURE A MIROIRS

C . GORMEZANO

Association EURATOM-CEA

Département de Physique du Plasma et de la Fusion Contrôlée Service IGn. Centre d'Etudes Nucléaires, 85 X, 38041 Grenoble Cedex, France

Résumé. - On présente la situation des machines ouvertes à la suite des résultats expérimentaux obtenus sur la machine 2XIIB à Livermore (USA) et des résultats théoriques obtenus sur la turbulence. Une injection de 3,s MW de neutres rapides, associée à l'injection d'un plasma tiède stabilisant les modes turbulents, a permis d'obtenir un plasma de caractéristiques très intéressantes :

avec un bêta très élevé (

=

0,7). Cela a déclenché une relance vigoureuse du programme miroir aux Etats-Unis avec pour but la réalisation d'un réacteur à fusion contrôlée à miroirs. Une importante expérience de physique ayant tous les traits caractéristiques d'un réacteur est proposée. Par ailleurs une série d'expériences destinées à améliorer le rendement d'un réacteur sont en cours de réalisation. Abstract. - Recent progress in magnetic mirror confinement research are reported. Experimental results with the 2XIIB mirror machine at the Lawrence Livermore Laboratory (USA) have demon- strated stable confinement of plasmas. By using a plasma-stream stabilization on a multimegawatt neutral beam sustained plasma, the following parameters are attained :

with betas up to 0.7. Quantitative agreement between a quasilinear theory of turbulence and expen- mental results is obtained over a broad range of parameters. Consequently a vigorous magnetic mirror program is started in the US with the goal of producing a practical pure fusion power reactor. A large mirror physics experiment that will both signilicantly extend mirror parameters and also serve as a prototype of the first experimental mirror reactor is designed. Meanwhile, experiments with the aim of improving reactor efficiency are in preparation.

Une des premières propositions présentées en vue de la réalisation d'un réacteur thermonucléaire a été l'utilisation de miroirs magnétiques pour le confinement du plasma. L'effort théorique et expérimental sur les configurations ouvertes a trouvé son point culminant, en quantité du moins, entre 1960 et 1965. Durant cette période, les résultats obtenus ont été relativement décevants. En effet, le temps de confinement du système est lié au temps de diffusion des ions dans le cône de pertes, c'est-à-dire au temps mis par les ions pour que, par collisions coulombiennes, leur vecteur vitesse ne leur permette pas d'être réfléchis par le miroir. Les premiers calculs de Post [Il négligeaient l'effet des électrons et condui- saient à un temps de confinement élevé. Le refroi- dissement des ions par les électrons s'ajoute à l'effet déconfinant du potentiel ambipolaire positif qui assure la quasineutralité du plasma, pour donner des temps de confinement beaucoup plus modestes [2]. Par ailleurs, la difficulté expérimentale à maîtriser

les instabilités du plasma, et en particulier les rnicro- instabilités, conduisait à des temps de confinement encore plus faibles que ceux prévus par la théorie. Ainsi, à partir de 1968, les résultats intéressants obtenus sur les machines de type' Tokamak ont provoqué une diminution d'intérêt pour les configurations ouvertes et l'effort expérimental s'èst ainsi trouvé arrêté en Europe de 1'Clvest au début des années 1970.

Pourtant les qualités potentielles d'un éventuel réacteur à miroirs, c'est-à-dire un fonctionnement continu, une bonne accessibilité, une bonne utilisation du champ magnétique par fonctionnement à haut bêta, un mauvais confinement des impuretés, une taille relativement modeste, ont motivé la poursuite en URSS, au Japon et surtout aux Etats-Unis d'un certain effort expérimental. Le maintien de cet effort a été justifié par les résultats expérimentaux décisifs obtenus en 1975 et 1976 sur l'expérience 2XIIB à

Livermore. De plus, l'effort théorique sur les micro-

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C3-188 C. GORMEZANO

instabilités poursuivi depuis de nombreuses années est arrivé en même temps à une maturité suffisante pour qu'un accord remarquable entre expérience et théorie soit obtenu. Cette conjonction a été la cause d'une relance vigoureuse du programme miroir. Les résultats obtenus sur 2XIIB ont stimulé les imagi- nations et ont donné un support expérimental à

des recherches permettant de rendre la situation des miroirs moins marginale. Un programme de grande ampleur a par conséquent été lancé aux Etats-Unis proposant un réacteur à miroirs en tant qu'alternative à un réacteur de type Tokamak.

Rappelons tout d'abord brièvement les traits essen- tiels d'un réacteur à miroirs dans sa conception actuelle. Un tel réacteur fonctionnerait en régime continu avec des bobinages supraconducteurs. Les divers matériaux entourant le plasma et permettant notamment de récupérer l'énergie thermique produite par le ralentissement des neutrons posent les mêmes problèmes que pour un réacteur Tokamak. Par contre, le fait que dans un réacteur à miroirs, les pertes de particules chargées soient essentiellement axiales, est à la fois un avantage et un inconvénient. Avantage car le flux de particules tombant sur la première paroi est moindre, les impuretés moins bien confinées fuient par les bouts et il est possible de. récupérer une grande partie de l'énergie entraînée hors de la cellule par les particules chargées [3]. ,

Inconvénient car un réacteur à miroirs fonctionne avec un taux de recirculation de l'énergie élevé, c'est-à-dire qu'une grande partie de la puissance délivrée par le système doit être réutilisée pour l'entretien du réacteur par injection de neutres rapides., On évalue habituellement un facteur de qualité Q, rapport entre la puissance libérée par les réactions de fusion et la puissance injectée nécessaire à l'entretien du plasma. Les calculs théoriques optimisant les caractéristiques de l'injection de neutres [4] donnent des valeurs de Q faibles de l'ordre de 1,4.

En l'état actuel des possibilités techniques de récupé- ration de l'énergie, un réacteur à miroirs est conce- vable même avec ces valeurs basses de Q [5]. Mais l'efficacité de récupération de l'énergie doit être élevée et ceci implique l'usage de techniques sophisti- quées et par conséquent un prix de revient du kilo- watt-heure produit élevé. Une étude paramétrique des différents éléments entrant dans le coût du réacteur indique les voies, de recherches permettant de rendre compétitif un réacteur à miroirs :

,- Utilisation possible de structures magnétiques simples (bobines).

- Possibilité de fonctionnement à bêta élevé (rapport entre pression cinétique du plasma et pression magnétique de confinement).

- Augmentation de la valeur de

Q,

un seuil critique étant une valeur de 3. L'effort doit ainsi porter essentiellement sur deux directions.

- La situation marginale d'un réacteur à miroirs

rend impératif l'obtention d'un plasma sans insta- bilités ayant des pertes purement collisionnelles.

- Le rôle déterminant du facteur Q dans le bilan du réacteur impose l'amélioration du confinement par rapport à un miroir simple.

Nous décrivons dans une première partie les résul- tats expérimentaux obtenus sur 2XIIB qui permettent d'être optimiste quant au contrôle des instabilités. Les solutions actuellement envisagées pour une augmentation du facteur Q seront décrites dans une 2'3 partie.

1. Situation expérimentale. - Dans tout système de confinement magnétique, le problème du contrôle des instabilités est crucial car c'est ce contrôle qui va déterminer le temps de vie de l'énergie du système. Un des critères de qualité majeurs du confinement est le produit de ce temps de vie par la densité.

Les instabilités de type magnétohydrodynamique sont les premières qui ont pu être maîtrisées dans une configuration ouverte. Les plus dangereuses d'entre elles sont liées au sens de courbure des lignes de champ magnétique. De nombreux travaux et en particulier ceux de Ioffé [6] ont permis de trouver le remède à ce type d'instabilité par l'utilisation de structures magnétiques dites à puits magnétique radial ou à minimum B, c'est-à-dire une structure qui présente un minimum absolu pour le champ magnétique. Dans les premières expériences, cette structure était obtenue par la superposition au cha.mp magnétique produit par deux bobines, d'un champ produit par des barres disposées symétriquement autour de l'axe magnétique et parcourues par des courants de sens opposés. Pour créer un tel champ de type quadrupolaire, il existe d'autres méthodes. La plus utilisée est une structure dite en Base bal1 illustrée sur la figure 1 ou bien en Yin Yang analogue

à la précédente mais optimisant le volume du champ magnétique utile [7]. On notera également sur cette figure la différence de courbure des lignes de force avec cel,le produite par deux bobines magnétiques simples.

Les microinstabilités sont des fluctuations donnant naissance dans le plasma à des champs haute fréquence qui, d'une manière analogue aux collisions coulombiennes, accélèrent la diRusion des ions dans le cône de pertes. Ces instabilités sont, de loin, beaucoup plus difficiles à maîtriser. La troncature aux basses énergies de la fonction de distribution ionique crée .un réservoir d'énergie libre, au sens thermodynamique, pour ces instabilités. Cela est dû au puits de potentiel ambipolaire positif ,qui expulse les ions de faible énergie,

Ces instabilités sont déclenchées par des inhomo- généités spatiales de densité et. de température. du plasma. C'est par exemple un gradient radial de.densité qui déclenche la plus célèbre d'entre elles, l'instabilité de dérive cyclotronique , dans le cône de per-

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FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE DANS UNE STRUCTURE A MIROIRS C3- 189

type est très longue [9]. Post [IO] avait proposé pour empêcher l'amplification de ces modes haute fré- quence l'injection d'une petite quantité de plasma

tiède dans la région de confinement. Une théorie plus complète de la stabilisation du mode DCLC a été faite récemment [Il] qui montre que la quantité du plasma tiède que l'on doit injecter est inversement proportionnelle au gradient de densité radiale dans le plasma. La qualité d'un plasma est ainsi liée au rapport entre le nombre de rayons de Larmor des ions et le diamètre du plasma. Si ce rapport est petit, la densité du plasma tiède doit être égale à quelques pour cent de la densité du plasma chaud. Pour des rapports de l'ordre de 100 que l'on peut attendre dans un réacteur, la quantité de plasma tiède devient négligeable. Par ailleurs, la densité du plasma tiède nécessaire est inversement proportionnelle au bêta du plasma. Cette technique a été utilisée expéri- mentalement pour la première fois sur les expériences PR6 et PR7 [12] mais a été vraiment concluante sur l'expérience 2XIIB [13].

L'expérience 2XIIB a été conçue pour permettre le maintien de la densité d'un plasma cible à l'aide d'une injection de neutres rapides. La structure magnétique quadrupolaire pulsée Yin Yang est analogue au schéma de la figure 1. Le champ au

~ i r o i r simple _{lasm ma}

quadrupotaire

lignes dc champ

FIG. 1. -Lignes de champ magnétique dans un miroir simple et dans une structure quadrupolaire.

centre est égal à 6,7 kG, le rapport miroir de 2 et la distance entre miroirs de 150 cm. Une série de canons

à plasma permet l'injection d'un plasma froid le long de l'axe magnétique. Une partie de ce plasma est capturée entre deux portes magnétiques puis chauffée par compression adiabatique. Le temps de

décroissance du champ magnétique est d'environ 10 ms et le plasma cible ainsi créé a une densité de 3 x 1013 une énergie de quelques keV et un temps de vie d'environ 400 ps. L'étude de ce plasma a fait l'objet de nombreux rapports (voir références citées en [3]). Comme indiqué sur la figure 2, ce plasma sert de cible à 12 faisceaux de neutres rapides focalisés au centre de la configuration. Chacune de ces sources, mises au point à Berkeley [14], a un courant équivalent de 50 A pour une tension

d'extraction de 17 kV pendant 10 ms. Des problèmes liés à des claquages dans les électrodes d'extraction n'ont permis qu'une injection maximum de 5 MW dans le plasma.

r

Boite à injection de gaz

Canon à. p l a s m a 1

FIG. 2. - Schéma d'injection des 12 faisceaux de neutres rapides.

Cette puissance est cependant de loin la plus importante jamais injectée dans une machine à plasma. Une injection de plasma tiède à l'aide d'un canon à plasma du même type que ceux utilisés précédem- ment pour la création du plasma cible a effectivement permis de réduire considérablement le niveau de la turbulence. Ceci se trouve illustré dans les diagrammes de la figure 3. Bien qu'il n'y ait pas de démonstration directe que ce soit le mode DCLC qui soit stabilisé, une simulation numérique de l'expérience basée sur une théorie quasi linéaire de la turbulence [15] montre un bon accord avec les résultats expérimentaux et semble en constituer une bonne présomption.

L'augmentation du confinement qui résulte de cette stabilisation a permis d'obtenir des performances intéressantes : une densité de 3 x 1013 avec une énergie moyenne de 13 keV et un temps de confinement des particules de quelques millisecondes. Le produit de ce temps par la densité, nt, est de l'ordre de 7 x 1 O1 O cm-

.

s, valeur qui est supérieure d'un ordre de grandeur à celle précédemment obtenue dans un miroir.

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C. GORMEZANO

+

Ptasma

'

kiide'-1

+

Neutres

4

-Neutres 7 1

(sans plasma ticde*)

3 7

-

2 - m

5

1 - plasma 'tiède' 0

Z

0,s

-

U e c

_-

g2 i ' i i i i ' i l 1 2 3 Temps -ms

FIG. 3. - Comparaison avec et sans plasma tiède stabilisant de la densité et des fluctuations H.F. du plasma.

biennes. On peut rappeler quelles sont les lois de variation des temps de collisions coulombiennes qui vont fixer le temps de confinement du plasma [16] :

où In A défini à partir de la longueur de Debye vaut environ 20 dans les cas qui nous intéressent, p le nombre de masse et où énergies et températures sont exprimées en keV. Le temps de confinement dit classique déduit à partir d'équations de Fokker Planck bidimensionnelles tenant compte de l'effet des électrons et de la distribution ionique en cône de pertes est égal à [17] :

nt = 2,8 x 10'' E;l2 log R

1

+

q@/mEi R étant le rapport miroir, q@ la valeur du potentiel ambipolaire, Ei l'énergie moyenne des ions et Eo celle des neutres rapides injectés à 900. On peut essayer de vérifier cette loi sur l'expérience 2XIIB en faisant varier l'énergie d'injection du faisceau de neutres. Les résultats obtenus sont rapportés sur la figure 4. Il semble y avoir bon accord entre les temps de vie mesurés par différentes méthodes et un conûnement du plasma dominé par des pertes classiques. Ceci constitue la première démonstration expérimentale

d'une augmentation du temps de confinement avec l'énergie ionique.

I i I 1 I i i r l

-

diffusion ion -ion /

1010

1 5 10 15 20 encrgie ionique moyenne Ei t keV

FIG. 4. - Evolution du produit nz des ions chauds en fonction de l'énergie moyenne des ions évaluée selon différentes méthodes :

Décroissance de la densité après arrêt d'injection des neutres. A

partir du courant de neutres nécessaire au maintien d'une densité de 1,5 x 1013 cm-3. A partir du taux de croissance de la densité.

Cependant une des faiblesses de l'expérience 2XIIB était constituée par le fait que le démarrage du plasma ne pouvait se faire qu'à l'aide d'un système assez complexe de champs magnétiques pulsés inapplicable à un réacteur devant fonctionner en continu. Les propositions faites pour résoudre ce ,problème, comme par exemple l'utilisation de lasers [18] ou de plasmas cible à électrons chauds [19], impliquent des techniques assez complexes. L'utilisation du canon à plasma servant à injecter le plasma tiède stabilisant en tant que plasma cible pour les neutres rapides a permis de résoudre ce problème d'une façon très élégante [20]. Un certain niveau de turbulence permet en effet la capture entre les miroirs d'une densité de plasma suffisante pour le démarrage du plasma chaud. Les neutres rapides sont injectés en même temps que ce plasma au moment où le champ magné- tique est quasi stationnaire. Les performances atteintes ont été analogues sinon supérieures à celles obtenues précédemment.

Cependant, un certain nombre d'indices expéri- mentaux, tels que l'apparition de pics de densité instables, ont permis de conclure que la densité du plasma était limitée par insuffisance de plasma stabilisant. En conséquence, une autre méthode de création de plasma tiède a été utilisée [21] : on fait une injection de gaz neutre (hydrogène ou deutérium) dans une boîte à gaz située au niveau d'un miroir et dont une fente d'entrée elliptique épouse la forme des lignes de

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FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE DANS UNE STRUCTURE A MIROIRS C3-191

central et une partie du plasma ainsi créé diffuse vers le centre de la structure magnétique.

Les particules neutres sont ainsi ionisées avant d'atteindre la région de confinement. Il y a, de plus, une espèce d'auto-ajustement entre la densité centrale du plasma chaud et la quantité du plasma tiède fluant dans la configuration.

Le démarrage du plasma se fait comme précé- demment par utilisation du canon à plasma. Quand la densité est suffisante, ce canon est arrêté et le gaz injecté dans la boîte à gaz. On obtient alors une densité de saturation de 1,5 x IOi4 cm-3 avec une énergie moyenne de 9 keV (voir tableau 1). On peut observer sur la figure 5 l'évolution temporelle de la densité

-

Neutres 4 -Capon b- a --C( A 1014

1'

l

,-/

m avec gaz

5

1013 c -sans gaz O Simulation 10'2 1 I I 1 2 3 4 5 6 Temps ( m s )

FIG. 5. - Evolution dans le temps de la densité du plasma quand le plasma stabilisant est produit par injection de gaz au miroir.

du plasma ainsi obtenu. Les points proviennent d'une simulation théorique utilisant un modèle simple d'accumulation du plasma chaud qui tient compte des différentes sections efficaces mises en jeu, de la géométrie du plasma et du faisceau de neutres ainsi que de la réabsorption des produits d'échange de char- ges. On prend comme hypothèse un nz constant et une densité de plasma tiède proportionnelle à celle du plasma chaud. Le bon accord ainsi observé montre que le comportement du plasma est sinon classique du moins ne présente pas d'anomalies. Le temps de confinement des particules correspond à nr :

1,6 x 10" cm- 3 . s et celui de l'énergie à

Pour ces valeurs de densité, l'absorption du faisceau de neutres est quasi totale et près de 50

%

de la puissance injectée, 3,3 MW dans le cas présenté, est effectivement piégée par le plasma. La limitation de la densité du plasma, et donc du confinement, ne semble alors dépendre que du courant injecté. Ceci peut s'expliquer par les valeurs très élevées du bêta obtenu. En effet, sa valeur au centre du plasma atteint 1,5 et sa valeur moyenne intégrée sur tout le volume est de 0,7. Pour ces valeurs élevées de bêta qui correspondent à la réduction du champ magné- tique au centre du plasma par un facteur 2, le plasma

creuse son propre puits magnétique. Le pincement des lignes de force aux extrémités du miroir contribue probablement à une diminution de la conductivité axiale des électrons. Celle-ci constitue en effet la source de pertes d'énergie la plus importante du système et la diminution de la surface de contact entre plasma chaud et plasma froid externe ne peut être que bénéfique. Par ailleurs, cette valeur de bêta est plus élevée que ne le prévoyait une théorie MHD de l'équilibre axial du plasma dans des gradients de champ magnétique [22].

Il semble donc possible d'utiliser dans un réacteur une valeur plus élevée que la valeur habituellement utilisée (0,5) et donc de diminuer le prix de revient du champ magnétique. D'autre part le fait que le plasma creuse lui-même son puits magnétique sert d'appui expérimental aux diverses spéculations qui proposent, comme nous le verrons plus loin, une structure de confinement où le champ magnétique à vide est complètement inversé par le champ dia- magnétique du plasma. Une augmentation du courant équivalent de neutres injectés sur l'expérience 2XIIB devrait permettre de vérifier si le bêta et le confinement du plasma continuent à augmenter avec le courant.

2. Investigations sur l'augmentation du facteur Q. -

On peut envisager de deux manières la solution du problème posé par l'augmentation du facteur Q : soit diminuer les fuites axiales de particules chargées, soit de récupérer les particules non confinées dans une série de miroirs successifs. Nous passerons en revue ces différentes approches.

2.1 MIROIRS ASSOCIÉS. - 2.1 .1 Miroirs associés

linéairement. - Le confinement d'une particule est

pratiquement indépendant de la distance entre miroirs puisque son libre parcours moyen est beaucoup plus grand que cette longueur pour les densités habituellement envisagées pour un réacteur. Par contre, si le temps de collisions peut être fortement augmenté, le temps de confinement peut alors dépendre de la longueur de la cellule à miroirs et on montre qu'il varie comme le carré du nombre de cellules associées. Il y a pour cela deux possibilités :

- Soit des structures pulsées à forte densité et fort champ magnétique [23] : n = 5 x IO1' cm-3,

= 5 keV, B = 300 kG.

- Soit par des phénomènes autres que colli- sionnels : effets non adiabatiques, champs électriques fluctuants haute fréquence [24].

Cependant les longueurs des réacteurs basés sur ce principe sont encore prohibitives pour les valeurs de champ magnétique envisagées.

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C. GORMEZANO

Réacteur

Caractéristiques 2XIIB MX classique

-

Distance entre mi-

roirs (m) 1,5 3,4 16

Champ magnétique 6 7 20 40

central (kG)

Rapport miroir 2 2 3

Durée injection 10 ms N 1 s continu

Injection (keV) n t (cm- 3 . s) n (cm- 3, Rayon Plasma (m) R , l ~ i bêta Puissance fusion (MW)

Q

stabilité MHD pour des bêtas élevés à condition d'avoir un champ quadrupolaire stabilisant dans chaque cellule. Les particules circulant le long de l'axe magnétique suppriment le potentiel ambipolaire à l'in- térieur de chaque cellule et, par conséquent, permettent d'obtenir un facteur Q de l'ordre de 3 à 5. Cependant, le problème de la stabilité MHD et de la diffusion radiale des particules dans les sections de raccorde- ment entre 2 cellules voisines n'est pas encore résolu. Ce type de système ne fait, pour l'instant, que l'objet d'études théoriques 125, 261.

2.2 MIROIR SIMPLE.

-

Les fuites axiales de particules peuvent conceptuellement être réduites selon trois approches différentes :

-

En augmentant la réflectivité des particules à

l'aide de champs électriques haute fréquence.

-

En augmentant la qualité du confinement de la structure magnétique : c'est le cas, par exemple, lorsque le champ magnétique local s'inverse par effet diamagnétique du plasma. Ceci fait apparaître des lignes de champ magnétique fermées (Fig. 6).

- En piégeant les particules de fuite par une barrière électrostatique. Ceci peut être obtenu, entre

Réacteur par

inversion de , Réacteur par

champ miroir tandem

- - 0,19 125 82 38 (150 en bout) 395 continu 24 s 77 29 petit : 0,31 grand : 0,62 5 1,5 18 (par cellule) 5,3 400 (1 000 A) 8 x IOi3 2,4 x 1014 (2 x 10'' en bout) 80 24 0,33

2.2.1 Piégeage par champ haute fréquence. - Si un tel concept est simple, une évaluation exacte est beaucoup plus complexe. Une particule pouvant être réfléchie par le miroir si sa vitesse perpendiculaire est suffisamment élevée, l'idée consiste à lui fournir cette énergie par des champs électriques H.F. réson- nants ou quasi résonnants. Le couplage résonnant onde-particule est efficace, mais avec une consommation d'énergie élevée. L'utilisation de champs H.F. quasi résonnants permet théoriquement une moindre consommation d'énergie : la particule emprunte de l'énergie au champ H.F. en entrant dans la zone du miroir et la restitue après réflexion. Il s'agit d'un comportement quasi adiabatique. Cependant, l'appli- cation de tels bouchons pose des problèmes très sérieux, qu'il s'agisse de la pénétration du champ H.F. au sein du plasma ou de couplage ondes-plasma non linéaires. Ces deux effets peuvent conduire à des valeurs de champs H.F. beaucoup trop élevées et non toléra- bles. Ce domaine est encore très ouvert et, si quelques expériences ont eu lieu dans des géométries cus- pidées [27], un gros effort théorique démontrant l'applicabilité d'une telle méthode est encore à

fournir.

.. -

autres possibilités, en disposant à chaque extrémité

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FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE DANS UNE STRUCTURE A MIROIRS C3-193

/

configuration a champ

magnétique i n v e r s é

FIG. 6. - Configuration magnétique où le champ à vide est inversé par le courant diamagnétique du plasma.

d'électrons ou d'ions relativistes. La stabilité d'une telle couche de courant a été démontrée théorique- ment et expérimentalement [29]. Le concept proposé

ici repose sur la démonstration expérimentale dans 2XIIB de l'obtention de plasmas à bêta très élevés. Mais il présente une différence essentielle avec 1'Astron ; en effet, les courants diamagnétiques permettant l'inversion du champ magnétique sont créés

à partir d'ions dont les orbites n'entourent pas l'axe magnétique comme dans lYAstron, 'mais sont des cycloïdes se développant autour de l'axe de symétrie du système. Ainsi l'utilisation de faisceaux d'ions d'énergie très élevée, de l'ordre du GeV, n'est pas nécessaire pour obtenir l'intensité du courant dia- magnétique d'inversion. Une telle configuration magnétique est très séduisante sur le plan conceptuel pour un réacteur. Les lignes de champ, qui se referment autour du plasma, piègent les particules qui ne peuvent sortir du système que par diffusion radiale à travers les lignes de champ. Les premières études basées sur ce concept [30] montrent la possibilité d'obtenir des systèmes à fusioa compacts, d'une puissance relativement faible, permettant une - technique modulaire, et travaillatlt avec des valeurs de

Q

supérieures à 5. On trouvera dans le tableau 1 les caractéristiques d'un tel réacteur.

Le problème majeur est celui de la stabilité MHD d'un tel système à champ magnétique inversé. Un code numérique dérivé d'un code mis au point pour I'Astron [31] indique qu'une telle stabilité est possible. Certaines expériences sur des thêta-pinches semblent confirmer cette possibilité [32]. Sur 2XIIB, une

injection de courant faite d'une manière symétrique de part et d'autre de l'axe magnétique, selon les indications du code cité plus haut, devrait permettre l'exclusion totale du champ magnétique à vide avec une injection de neutres .de 20 keV équivalent à un courant de l'ordre ou supérieur à 400 A [33]. Cette expérience est en préparation.

2.2.3 Miroirs tandem.

-

Ce concept a été présenté récemment à la fois par Livermore (341 et par une équipe de Novosibirsk (URSS) [35]. On utilise le potentiel ambipolaire créé normalement dans un miroir pour confiner le plasma d'une deuxième structure magnétique. Le potentiel ambipolaire positif confinant les électrons du plasma a une valeur typique de l'ordre de 4 à 5 fois la valeur de la température électronique. Son amplitude est donnée en tous points par une relation simple entre la densité élec- tronique locale, ne, le potentiel @ et les valeurs au centre de la configuration, n, et @, :

On voit que le potentiel est déterminé par la densité électronique et donc par la densité ionique qui lui est égale par quasi-neutralité. Il est ainsi possible de créer un gradient de potentiel par un gradient de densité.

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C3-194 C . GORMEZANO

6 A Champ magnitique

chaud. densité ionique

FIG. 7.

-

Schéma de principe du miroir tandem : profils axiaux du champ magnétique, de la densité et du potentiel @.

plasmas d'extrémité. Du fait de leur conductivité axiale, les électrons ont la même température tout le long du système. Une partie de l'énergie dégradée par les ions chauds d'extrémité sur les électrons peut être récupérée par les ions du plasma central par collisions électrons-ions. Il est possible, théorique- ment, dans un tel système d'atteindre des valeurs de Q très élevées puisque les pertes dans les plasmas d'extrémité peuvent être négligeables si le volume du plasma central est beaucoup plus grand que celui des plasmas en bout. On trouvera dans le tableau 1 les résultats préliminaires d'une étude de réacteur tandem permettant d'obtenir un Q d'environ 3. Le champ magnétique central de confinement est un simple solénoïde long et les deux structures terminales du même type que 2XIIB.

Certains problèmes importants doivent encore être résolus :

- Définition d'une structure magnétique stable du point de vue de la MHD.

- Les fluctuations H.F. dues à la turbulence doivent pouvoir être stabilisées par le plasma tiède constitué par les fuites du plasma central. Ce plasma central doit être stable devant ces fluctuations car la fonction de distribution ionique n'est plus en cône de pertes.

Des études théoriques ainsi que des propositions expérimentales destinées à tester ce concept sont activement poursuivies à Livermore.

3. Conclusion.

-

L'expérience 2XIIB a permis, grâce à une injection de neutres rapides et une stabilisation par injection d'une petite quantité de plasma tiède, d'obtenir un plasma de caractéristiques très intéressantes. En effet, le temps de confinement obtenu est proche du temps de confinement classique (nt E 10'' cm-3/s) et surtout les densités obtenues

(> 1014 cm-3) et les énergies atteintes (> 10 keV) sont comparables à celles d'un réacteur. La démon- stration du contrôle des microinstabilités sur 2XIIB,

l'augmentation du temps de confinement avec l'énergie ionique, la possibilité de démarrer la densité du plasma dans une structure magnétique quasi stationnaire ainsi que l'obtention de plasmas stables à valeurs très élevées de bêta (> 0,7) ont été des éléments majeurs dans la décision de I'ERDA (Energy Research and Development Administration) d'ampli- fier considérablement le programme miroir aux Etats-Unis.

Par ailleurs, les théories de la turbulence, qui expliquent remarquablement le comportement du plasma de 2XIIB déterminent les conditions de sta- bilité du réacteur. Celle-ci est d'autant plus facile à atteindre que le bêta du plasma est élevé.

Parmi les diverses voies possibles pour la poursuite du programme :

-

machine performante permettant de vroduire un flux intense de neutrons dé 14 MeV en vu; d'étude de matériaux

- miroir hybride fusion-fisqon fonctionnant avec un nt moins élevé mais perdettant 19 production de plutonium d'une manière analogue à un réacteur surgénérateur

- réacteur à fusion pure

c'est la troisième voie qui a été choisie par I'ERDA comme but pour le programme miroir. Cet effort se traduit tout d'abord par la proposition d'une machine droite importante appelée MX dont les caractéristiques sont indiquées dans le tableau 1. L'objectif essentiel de MX est la confirmation d'une meilleure stabilité du plasma lorsque son diamètre augmente. Cette expérience présente toutes les carac- téristiques d'un réacteur à fusion : bobinages supraconducteurs, injections intenses de neutres (= 50 MW) permettant l'entretien d'un plasma chaud pendant des temps supérieurs à la seconde.

Dans l'esprit de ses auteurs, MX doit constituer la dernière expérience de physique avknt le prototype d'un réacteur à fusion [36]. L'accord pour le finance- ment de cette expérience est probable.

Par ailleurs, un effort expérimental important est en cours sur les deux projets principaux qui donnent le plus d'espoir pour une augmentation possible du facteur Q :

-

Inversion du champ magnétique par le courant diamagnétique du plasma (par injection de courants plus intenses sur 2XIIB).

- Miroirs tandem où un plasma central sera confiné électrostatiquement par des plasmas plus denses et plus chauds produits de part et d'autre dans des structures analogues à celle de 2XIIB (expé- rience en préparation).

(10)

FUSION PAR CONFINEMENT MAGNETIQUE DANS UNE STRUCTURE A MIROIRS C3-195

Remerciements. - L'auteur tient a prksenter ici ses 1'Cquipe 2XIIB lui ont accord6 a Livermore au cours remerciements pour l'accueil que T. K. Fowler et des annCes 1975-1976.

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