Confinement, chauffage, transport

Mots clés: Vitesses de dérive particulaires & fluides – Théorie quasi-linéaire – Ondes – Instabilités – Turbulence et son contrôle – Transport néoclassique – Chauffage – Génération de courant

Ce cours comprend deux parties connexes: d’une part 1) la question du transport de la chaleur, turbulent et collisionnel, qui gouverne la qualité du confinement des plasmas de fusion par confinement magnétique, et celle 2) du chauffage du plasma et de la génération de courant d’autre part.
Il est dispensé au tableau, comprend des TD, et s’appuie sur un document manuscrit.

N.B.: Les notions abordées et les développements théoriques conduits dans ce cours ont un champ d’application qui dépasse largement celui des plasmas de fusion.

1) Dans les plasmas de tokamaks comme ITER, la qualité du confinement, et in fine les performances, sont largement contrôlées par le transport turbulent de chaleur. La turbulence résulte d’instabilités microscopiques qui saturent à des niveaux de l’ordre du pourcent, et des échelles de l’ordre de quelques rayons de Larmor ioniques dans la direction transverse au champ magnétique. Comprendre son origine, pour prédire le confinement des machines actuelles et futures, et pour proposer des pistes de contrôle, est un des enjeux majeurs des recherches en Fusion. Après un bref rappel du principe de confinement des particules dans un tokamak, les mécanismes conduisant à sa dégradation seront discutés. Quelques éléments de la théorie néoclassique seront donnés, importante notamment pour prédire les écoulements à grande échelle et le transport des impuretés. Nous présenterons ensuite les mécanismes d’instabilités à l’origine de la turbulence observée, ainsi que leurs propriétés. Les descriptions cinétique et fluide seront détaillées, en incluant la question de la fermeture dans un milieu faiblement collisionnel. Le transport turbulent sera vu sous l’angle des théories quasi-linéaire et non-linéaire. Les questions de l’auto-organisation de la turbulence et de son contrôle seront enfin abordées, essentielles à l’accès aux modes de confinement amélioré tels le mode-H.

2) Pour atteindre le régime thermonucléaire et contrôler les propriétés du plasma dans un tokamak, il est nécessaire de chauffer celui-ci et de générer un courant dans la direction toroïdale. Chauffer ou générer du courant repose en général sur des techniques communes, la différence résidant dans les propriétés de symétrie de la fonction de distribution. Le cours portera d’abord sur une introduction générale montrant que pour atteindre le régime thermonucléaire, des chauffages additionnels sont nécessaires et que le chauffage Ohmique est insuffisant. On discutera aussi pourquoi il faut des méthodes externes pour entretenir de manière continue un plasma magnétisé dans un tokamak. Les méthodes de chauffages et de génération de courant peuvent être séparées en deux catégories : celles utilisant les particules (injection de neutres rapides) et celles basées sur les ondes radiofréquence. On abordera les principes généraux pour chacune d’elles, sur la base d’une description cinétique du plasma. Pour les ondes radiofréquence, on se concentrera sur les trois principales méthodes, l’onde cyclotronique ionique, celle à la fréquence hybride basse et enfin celle à la fréquence cyclotronique électronique. On décrira les conditions d’application de l’optique géométrique, et la méthode du tracé de rayons pour calculer le champ électrique qui va accélérer de manière résonante les électrons. On abordera l’interaction quasi-linéaire dans le cadre des calculs cinétiques pour estimer la puissance absorbée par le plasma. Enfin, on évoquera les effets néoclassiques et le courant de bootstrap sur lequel reposent de grands espoirs pour réaliser un réacteur de fusion auto-entretenu.