Brevet FR2132370A1 — publié le 19721117

- La présente invention concerne la production de plasmas par des lasers à grande longueur d'onde. . Ainsi qu'il apparaîtra ci-après, la présente invention est un perfectionnement du système décrit dans la demande de 5 "brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 12.518 du 20 Janvier 1970. Dans le domaine de la physique, il est nécessaire drobtenir dîs plasmas produits par des lasers. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique H® 3-378.446 décrit un système pour la production d'un plasma. . - s 10 Un autre système de laser pour la production d'un plasma est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique ÎT° 3«489.645. Ces deux nécessitent des lasers en rubis ou en verre à faible longueur d'onde (environ 1 micron) pour la production du plasma. De plus, ces systèmes sont difficiles et coûteux à faire 15 fonctionner et ils sont limités par ailleurs par des considérations pratiques ou autres. Par exemple, des densités-initiales et finales relativement élevées de plasma sont nécessaires. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour chauffer un plasma par une lumière de laser. 20 II a été découvert.conformément à l'invention que des lasers à grande longueur d'onde peuvent être avantageusement utilisés pour produire et/ou pour chauffer des plasmas de densité relati- • vement faible. A ce point de vue, des lasers à grande longueur d'onde ayant des longueurs d'ondes de 10 microns ou plus ont 25 l'avantage particulier par rapport aux lasers en rubis et/ou en verre au néodyne à longueur d'onde de l'ordre de 1 micron connus jusqu'ici, de pouvoir chauffer des plasmas ayant des densités iQ d'environ 10 7 particules par centimètre cube ou moins. Par exemple, une radiation de 10 microns chauffe efficacement confor-30 mément à l'invention des plasmas ayant des densités de 10^ électrons par centimètre cube ou des densités inférieures, tandis que ' la radiation de 1 micron connue jusqu'ici est pratiquement inefficace pour chauffer des plasmas ayant des densités égales yf Q ou inférieures à environ 10 7 particules par centimètre cube. 35 Suivant un mode de mise en oeuvre, l'invention concerne un dispositif pour la transmission d'une lumière de laser à grande longueur d'onde (c'est-à-dire de 10 microns ou plus) pour l'interaction de la lumière du laser avec un plasma de densité relativement faible (c'est-à-dire 10^ particules par centimètre cube 72 11607 2 2132370 ou soins) sur une longueur de parcours faible. Plus particulièrement sous ce rapport, de la lumière de laser de 10,6 microns 19 réagit arec un plasma d'une densité inférieure à 10 7 particules par centimètre cube pour chauffer efficacement le plasma à des 5 températures comprises dans la plage des keV, ce plasma étant confiai dams un champ magnétique. Dans ce but, un système de laser à COg est utilisé pour chauffer un plasma confiné dans des champs magnétiques ayant des intensités comprises entre quelques centaine» à* fcilogauss et quelques mégagauss. Suivant une autre 10 caractéristique, l'invention concerne un système de laser à grande longueur d*onde pour chauffer un plasma toroîdal dans des étages smccessifs. Il est avantageux aussi d'améliorer le chauffage des plasmas en les dopant avec une matière à numéro atomique élevé et/ou en préchauffant le plasma à un niveau au moins de 15 100 eV. Suivant une autre caractéristique, un système selon l'invention chauffe efficacement des plasmas s'étendant longitudinale ment eu linéairement. Avec un choix convenable de dispositifs et de tispositions de ces dispositifs de la façon décrite plus en détail ci-après, il est possible d'obtenir le chauffage désiré 20 à des températures élevées de plasmas de densités faibles avec des lasers à grande longueur d'onde. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de 1: description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : 25 - les figures 1a et 1b représentent schématiquement un dispositif pour le chauffage et le confinement d'un plasma toroîdal à hamte température selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un dispo-30 sitif à plasma linéaire pour le chauffage et le confinement d'un plasma à haute température selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un appareil constituant une variante de la figure 2 selon un autre 35 mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 4 est une coupe schématique d'un dispositif pour un plasma dans tin champ © selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, 72 11607 3 2132370 - la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une partie de l'appareil de la figure 4, - la figure 6 est une vue d'une extrémité de l'appareil de la figure 5» et 5 - les figures 7, 8 et 9 représentent schématiquement les courants et les champs dans un réacteur linéaire selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La présente invention est utile pour produire et chauffer des plasmas d'une densité relativement faible à des températures 10 élevées ayant un intérêt du point de vue thermonucléaire. Plus particulièrement, l'invention est utile pour produire et chauffer 1Q des plasmas ayant des densités égales ou inférieures à 10 particules par centimètre cube. L'invention est ainsi utile pour le chauffage de plasmas confinés magnétiquement pour lesquels les 15 réacteurs de recherche pour les réactions thermonucléaires commandées ont été utilisés jusqu'ici. Par exemple, l'invention est utile pour le chauffage de plasmas toroïdaux confinés magnétiquement dans des "stellarators" et des "tokamaks". Cependant, comme il apparaîtra plus en détail ci-après, l'invention est utile 20 pour le chauffage de plasmas confinés magnétiquement dans n'importe quel réacteur connu jusqu'ici, parmi lesquels les réacteurs, mentionnés ci-dessus et/ou n'importe lequel des réacteurs fermés, à extrémités ouvertes ou linéaires ayant été utilisés jusqu'ici pour la recherche concernent les réactions thermonucléaires 25 commandées. Pour permettre de mieux comprendre la présente invention, différentes équations sont données ci-après, ces équations étant importantes pour la production de chauffage et de confinement des plasmas. Les formules de transport utilisées sont celles connues 30 d'après des arguments basés sur les libres parcours moyens et sur les temps de libre parcours moyens entre les collisions* Quand elles peuvent être comparées, elles concordent sensiblement, avec celles de Spitzer, "!Ehe Physics of Pully Ionized Plasmas". Les résultats des calculs pour les énergies, les densités» les 35 temps, les champs magnétiques, etc, nécessaires pour les dispositifs de recherche sur les réactions thermonucléaires commandées réelles et des expériences moins importantes correspondantes donnant des résultats appréciables dans ce domaine sont aussi 72 11607 2132370 indiqués. Ces calculs donnent aussi une certaine idée de ce qui est nécessaire, de ce qui peut être fait et de la souplesse du procédé à laser selon l'invention pour la production de 5 Symboles température des électrons en eV 3?^ température des ions en eY » densité des électrons e xt.=n/Z densité des ions i e iO H_ nombre "total d'électrons 3T^ nombcre total d'ions Z charge ionique énergie moyenne par électron en e? î± énergie moyenne par ion en eY * 15 f, U11\ fréquence du laser, fréquence de la radiation et longueur d'onde fréquence du plasma, fréquence de la radiation *P et longueur d'onde de la lumière à la fréquence du plasma 20 B champ magnétique en gauss 0"^ temps de thermalisation des électrons et des ions J énergie en joules v vitesse de dilatation longueur d'absorption 25 J| rapport de la pression du plasma à la pression magnétique, P/B^ JL numéro atomique La longueur d'absorption 1 de la lumière du laser dans un plasma est : . 5 x 1027 T 3/2 \2 1/2 50 (1t' (1) e n3?- expression dans laquelle X est la longueur d'onde de la lumière, V est la longueur d'onde de la lumière à la fréquence critique = i .... v 6 P trons-volfes, n est la densité des électrons et 7i est la e 72 11607 5 . 2132370 charge ionique moyenne, associée au bremsstrahlung par la relation Z = *iz?/nizi (2) Pour que la lumière pénètre dans le plasma, "X doit être plus 5 courte que , ou -n\2 Si Xest un peu plus petit que le facteur ^^2^1/2 est voisin de 1 et peut être négligé. L'énergie nécessaire est 10 M,6x 10_19( £eNe + (4) P-.ur l'équilibre thermique = 3/2T et J = 2,4 x 10~1%ea?(1 + 1/Z) (5) 15 II sera remarqué d'après les équations ci-dessus que la A rt longueur d'absorption décroît comme ng~ et comme X • Ainsi, pour obtenir l'absorption sur la distance la plus courte possible n et X sont rendus maximaux dans la mesure compatible avec les autres conditions devant être satisfaites. S'il n'y a aucune 20 condition limitative pour la densité autre que la condition que la lumière pénètre dans le plasma, la longueur d'absorption est donnée à partir des équations (1) et (3), et en négligeant le facteur (1 -X2/Xf) 1/2, ?/2 v 2 £ = (6) Z 25 Pour cette condition optimale, la longueur d'absorption varie coœme X Pai" suite, à la densité optimale, les longueurs d'ondes courtes sont avantageuses. Cependant, les lasers disponibles peuvent^limiter la longueur d'onde pouvant être utilisée, et la densité peut être 30 limitée par l'intensité du champ magnétique disponible pour le confinement. Le champ magnétique nécessaire pour confiner le plasma (en supposant que la pression magnétique E est égale à la pression du plasma P, qui équivaut à l'expression bien connus » 1) est 35 ne(1 + 1/Z)kT =- B2/8^ (7) 72 11607 6 2132370 B - 6,3 X 10"6 \pT(1~+ 1/Z)T (8) ou B - 6 ,3 x 10"" V i-. » © La vitesse de perte d'énergie est cruciale pour déterminer si une réaction auto-entretenue peut être obtenue ou non. A ce point de vue, la distance sur laquelle la chaleur diffuse en un 5 temps t sans champ magnétique ou bien parallèlement à un champ magnétique est donnée par 2 _ 4,5 x 10->%5/2t (Z + 1) (ne + n±) Ea ce qui concerne la perte d'énergie par conduction de chaleur à travers le champ magnétique, la distance sur laquelle 10 la chaleur diffuse à travers le champ en un temps t (en tenant compte seulement des processus classiques) est donnée par ZnO"2A5/2n t j£ ^ (10) ET VT ,2 En ce qui concerne le temps de confinement classique mentionné ci-dessus, la distance sur laquelle le plasma diffuse 15 en un temps t est donn^ par *2 g'5 x (11) b2V7" Ainsi qu'il est connu, le temps de confinement de Bohm est différent du temps de diffusion classique. Le temps de Bohm est une relation empirique qui a été souvent constaté comme concor-20 dant avec les temps de confinement observés expérimentalement. D'après la formule de diffusion de Bohm, la distance de diffusion du plasma en un temps t est donnée par & . 2'5 * 1°7let (n2) B Actuellement> les champs magnétiques établis dans les 25 stellarators, les tokamaks, les multipôles et les différents réacteurs de recherche sur le plasma bien connus ont donné des temps de confinement réels plusieurs fois aussi longs que le temps de Bohm. Par exemple, comme il est indiqué dans Congres-sional Hearings pour le 91ème Congrès, des octopôles ont donné 30 des temps de confinement jusqu'à 300 temps de Bohm, ce qui approche des temps de diffusion classiques.. D'autres relations présentant un intérêt sont les suivants: le temps de thermalisation des électrons-ions est i 72 11607 2132370 ^ 4,5 x 40%5/2À ^6i= - S: -C'15) * La vitesse thermique des ions est v± = io6yç - ci4)- La vitesse theraique des électrons &st 5 vfi = 4,5 x i©7 C-15) La vitesse de dilatation libre est - v = 106 (f (Z3Tœ * ï±) 1:^2 (16) - La condition pour obtenir un gain;.net d'énergie d'un réacteur theraonucléaire est le critère de Lawson. A ce point de vue.;, 10 pour produire plus d'énergie que celle nécessaire pour chauffer un mélange deutériu*-tritiusa{IS?) aux températures tfaensonucléai-res, c'est-à-dire 10 ke¥ est nC= 6,7 x 1015 (17) expression dans laquelle est le temps dè confinement pour 15 l'énergie» Si le rendement du rapport de chauffage, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie contenue dans le plasma et l'énergie totale nécessaire pour le laser est la condition est plus sévère et nécessite - 6,7 x 10» nT= —^ my ' 20 si une fraction seulement £, du rendement thermonucléaire est convertie en énergie utilisable" pour chauffer de la nouvelle matière, la condition devant être satisfait^ est. ét- iiz*£L (-> £2 Cependant, les deux dernières conditions s'appliquent; 25 seulement au fonctionnement du type puisé. Pour le îonctionae— ment à l'état continu ou semi-continu» 11 énergie libérée par la réaction maintient la température et chauffe du nouveau combustible- Bans ce cas, les conditions sont un peu changées?,* JB&r exemple comme seule l'énergie des particules alpha est; àlsponi-30 ble pour chauffer directement le combustible, et coma» ces particules contiennent seulement 20% de l'énergie de la réaction, le temps de confinement pour l'énergie doit au moins, satisfaire 72 11607 8 2132370 à la condition nf = 3,4 x 1014 (20) et le "cemps moyen de confinement pour les particules doit au soins satisfaire à cette condition. • 5 I>a vitesse de réaction tombe très rapidement avec la tem pérature. A une température de 4 keV, la vitesse tombe de 14 fois. A cette température, l'énergie libérée des particules alpita peut juste maintenir la température en compensation des pertes d'énergie par rayonnement. et c'est la température la 10 plus basse à laquelle la réaction peut être auto-entretenue. A cette température, les particules doivent être confinées pendant un temps tel que nf soit égal à n-r*= 4 x iO14 (21) pour que la réaction produise autant d'énergie que celle néces-15 saire pour chauffer le plasma. Cependant, avec le confinement magnétique, il est possible d'utiliser une densité de plus du double à 4- keV, et par suite T" augmente seulement de trois fois par rapport à sa valeur pour 10 keV. De même, le temps de confinement de l'énergie peut croître avec une température inférieure, -5/2 20 comme T y pour des pertes par conduction thermique parallèles au champ magnétique ou comme T si les pertes de Bohm existent, de sorte qu'il peut être avantageux ,d*opérer à une température un peu inférieure à 10 keV. Il sera maintenant considéré un plasma produit par une 25 radiation de 1 micron d'un laser à verre au néodyne, la longueur optimale d'absorption donnée par l'équation (1) ci-dessus pour un plasma de 10 keV avec 2=1 est 0,5 cm. Ce plasma peut avoir p/J. 2 une densité de 10 électrons/cm5, une pression de 32 mégabars ç: et nécessiter un champ de 30 x 10 gauss pour son confinement. 30 Cependant, en confinant ce plasma dans un champ magnétique, dans un stellarator, un tokamak ou un autre dispositif équivalent, il n'est pas nécessaire que le réacteur ait seulement une longueur de 0,5 cm mais il peut avoir des dimensions exprimées en mètres, afin que les densités puissent être inférieures à la 35 densité optimale mentionnée. Par exemple. avec une densité de 19 3 10 particules/cm, la longueur d'absorption augmente à 50 mètres. De même, la pression nécessaire est de 3 x 10-' atmos-phères, et le champ nécessaire est de 3 x 10 gauss» Sous ce 72 11607 9 2132370 19 rapport, si en même temps que la densité du plasma est de *10 particules/cm^ la longueur d'onde de la longueur du laser est d'environ 10 microns, la longueur d'absorption est seulement de 50 centimètres. Par suite,-ainsi qu'il apparaîtra plus en détail 5 ci-après, il est avantageux d'utiliser de la lumière de laser ayant une longueur d'onde \ d'environ 10 microns ou plus. Sous ce rapport, ainsi qu'il ressort de ce qui précède, des longueurs d'ondes supérieures à 10,6 microns peuvent être utilisées pour chauffer un plasma. Un exemple d'une telle longueur 10 d'onde est celle produite par un laser à eau et vapeur d'eau, qui produit de la lumière d'une longueur d'onde supérieure à 10,6 microns. Des exemples sont les lasers à eau et vapeur d'eau efc les lasers à acide cyanhydrique. La description de ces lasers peut être trouvée dans "Closing the Par-Infrared Gap" par P»D. 15 Coleman, Laser ïocus, Vol.5, N° 17, 1969 et dans " Repetitive Q-modulated HCH Gas Maser par P.G. Prayne, J. Phys.B (Âtom Holec. Phys.) série 2, vol.2, 1969* En considérant maintenant le laser à grande longueur d'onde décrit ci-dessus selon l'invention., dont la longueur d'onde est 20 supérieure à 10 microns, il est connu que les lasers à CO^ pour produire des longueurs d'ondes de 10,6 microns peuvent produire un plasma à partir d'une matière à l'état solide. Des lasers à COg puisés sont couramment disponibles dans ce but, de la façon décrite par rapport à la figure 2 de "Plasma Production and 25 Heating by Laser Radiation" par P.P. Kupper, Rijnhuizen Report 68-44, Février 1968. La présente invention utilise un laser à COg semblable à celui décrit par Kupper. Cependant, il doit être compris que des lasers puisés à grande longueur d'onde d'un grand nombre d'autres types peuvent être utilisés conformément 30 à la présente invention. Un tel laser à grande longueur d'onde est représenté et décrit dans Final Report P 920272-12 par Smith et Haught dans Contract Nour 4696(00) du Office of Naval Research. Un autre laser à COg à grande longueur d'onde, fonctionnant de façon continue, est décrit dans l'"Abstract 35 23065>' du Vol. 23, N° 12 de Nuclear Science Abstracts. Le laser à grande longueur d'onde selon l'invention est par suite un laser à fonctionnement puisé ou continu. De même, de nombreux types de dispositifs de sortie pour l'énergie du laser peuvent être 72 11607 ' io 2132370 utilisés conformément à l'invention. A ce point de vue, les puissances c.e sortie des lasers disponi'bles commercialement peuvent être augmentées en utilisant des équipements auxiliaires et des techniques tien connus. Par 5 exemple, des fréquences faibles de répétition et une commutation classique peuvent être utilisées de la façon décrite dans le compte rendu de Smith et Haught cité ci-dessus, les comptes rendus de Haught et al du contrat U.S.A.E.C. AT(30-1)3578 avec la United Àircraft Co, par exemple NYO 3578-1 à 3578-12 et la 10 demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique 601.884 pour " Two Oeil Dye Q-Spoiling of Laser", la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 536.898v pour "Self-Made Locking of Lasers Using Dyes" du 23 Mars 1966, et la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique H° 671.763 pour "Apparatus 15 for Obtaining Harrow High Power Laser Puise" du 27 Septembre 1967- Des lasers à COg développés au MIT (Massachussetts Insti-tute of Technology) sous contrat U.S.A.E.C. AT(30-03980 peuvent aussi être utilisés selon l'invention. A ce point de vue, ainsi que le décrit le compte rendu 20 MIT 3980-45, des impulsions de laser à C0o de plusieurs mégawatts à des fréquences élevées de répétition sont maintenant disponibles avec des éléments d'une grande sûreté et d'un prix faible. Sous ce rapport, bien que des lasers fonctionnant à la pression atmosphérique ou près de cette pression soient dispo-25 nibles, réduisant ainsi la nécessité d'éléments à vide poussé, différentes combinaisons de lasers haute pression ayant différentes combinaisons d'excitation sont disponibles. Par exemple, il est possible d'utiliser de nombreuses décharges électriques transversales simultanées distribuées uniformément le long 30 d'une cavité résonnante. Ce mode d'excitation assure rapidement l'inversion des populations, et la commutation du gain donne automatiquement un fonctionnement à impulsions géantes sans qu'une commutation Q soit nécessaire, des électrodes de décharge avec des résistances de charge ohmique situées dans la cavité 35 du laser maintenant une distribution presque uniforme des décharges le long de la cavité. Dans le laser à CO2 décrit dans le document MIT mentionné et qui est représenté sur la figure V-4 de ce document, le laser 72 11607 2132370 à COg comporte une série (17) de résistances en composition au carbone de 1,1 kilohm de 0,5 V espacées ds 4,75 mm sur un. ittbe en plexiglass d'un diamètre extérieur de 50,8 mm et d'une longueur de 865 mm. L'utilisation de résistances en films minces elle 5 carbone ou de métal est évitée parce que ces résistances ont tendance à exploser à l'amorçage de la décharge. Les conducteurs de sortie des résistances agissent comme des cathodes. L'anode est une tige en laiton polie d'un diamètre de 9?5 nrm» La distance entre l'anode et chaque cathode est de 25,4- mm. Le tube est 10 muni de fenêtres planes de Brewster, et la cavité optique est formée en utilisant un réflecteur à rayon de courbure maximal de 5 mètres et un miroir de sortie à réflectance de 65% à rayon de courbure de 10 mètres avec un revêtement diélectrique. La distance des miroirs est de 1,5 mètre. La puissance de pointe du 15 laser est d'environ 1,1 MW. La fréquence de répétition du laser est de 10 imp/s (impulsions par seconde). Cependant, des fréquences atteignant 1.000 imp/s sont citées par A. Beaulieu dans "Atmospheric-Prèssure C0o Laser" de Laser Focus, page 14, Février 1970. Quand la réflectance du miroir est abaissée à 35%» la lar-20 geur de l'impulsion du laser est d'environ 75 us. Il est connu aussi qu'une grande variété de matières et de constituants de plasmas peuvent être chauffés par des-lasers, de la façon décrite dans les publications mentionnées ci-dessus. De même, les publications mentionnées pages 167, etc. de"Laser Application in 25 Plasma Physics (1962-1968)" IAFA, 1969 décrivent des plasmas de deutérium et de tritium pouvant être produits et chauffés par des lasers. Avantageusement, la présente invention utilise les lasers à COg décrits ci-dessus pour produire un plasma deutérium-tritium, mais comme il apparaît plus en détail ci-après, la 30 présente invention n'est pas limitée à ce cas. Il est connu aussi que des lasers à CO2 peuvent chauffer des matières à l'état solide pour produire des plasmas dans des champs magnétiques classiques dans un stellarator de la façon, décrite dans l'abrégé (abstract 25065) mentionné ci-dessus «Ainsi 35 qu'il est connu, un stellarator comporte un récipient êvamê formé autour d'un axe d'équilibre de plasma sans fin et un champ toroîdal classique pour confiner le plasma en une colonne sans fin le long de l'axe d'équilibre du récipient» Suivant un 72 11607 2132370 mode de mise en oeuvre, l'invention telle que décrite ci-après utilise un champ magnétique toroîdal de confinement % ce type. Ainsi qu'il apparaîtra plus en détail ci-après, 11irvent^on utilise un champ toroîdal tel que celui décrit dans l'abrégé 5 précité. Cependant, comme il apparaîtra plus en détail ci-après, la présente invention n'est pas limitée â l'utilisation du champ toroîdal produit dans le stellarator mentionné, et peut être utilisée avec n'importe quel stellarator "bien connu pour confiner des plasmas toroïdaux tels que le stellarator C et le tokamafc de 10 Princeton University, Princeton, N.J., Etats-Unis d'Amérique. Ce dernier a en fait été construit à partir des constituants du stellarator C, de la façon décrite dans les comptas rendus du 91ème Congrès* Ainsi qu'il ressort de ce qui précède, des lasers à COg 15 peuvent produire des plasmas à partir de matières de grande densité par exemple de solides, et ces.plasmas peuvent avoir des températures jusqu'à plusieurs keV, mais ces plasmas sont coûteux et leur confinement. avec les champs magnétiques existant actuellement est difficile. Cependant, si un nombre suffisant de 20 passages du faisceau du laser à COg est assuré conformément à la présente invention, de la façon décrite plus en détail ci-après, ce chauffage peut être obtenu efficacement avec des densités de 10 7 particules/car ou moins, et ils peuvent être confinés par des champs magnétiques toroïdaux existant déjà. De plus, selon 25 une autre caractéristique de l'invention, en dopant le plasma avec une matière à Z élevé (c'est-à-dire à numéro atomique élevé, au moins aussi élevé que celui de l'hélium), la densité peut être avantageusement réduite pour le chauffage ESC dans des champs magnétiques toroïdaux couramment disponibles dans des stellara-30 tors, des tokamaks, etc. Sous ce rapport, un préchauffage par un moyen classique, par exemple par chauffage par résonance dans un cyclotron à ions et/ou un préchauffage.du plasma à au moins 100 eV, améliore le fonctionnement du système de chauffage du plasma à laser à grande longueur d'onde à passages multiples du 35 type selon l'invention. En considérant les figures- 1a et-1b-, • ael on -un mode .de mise en oeuvre de l'invention tin laser à CO2 11 dirige une lumière de laser de 10,6 microns vers des miroirs 13 pour le passage de 72 1.1607 13 2132370 ■ façon répétée de la lumière à Iraver's le plasma 19 en étages successifs dans un réacteur 21 comportant un champ magnétique pour confiner le plasma le long d'un axe d'équilibre dans un récipient évacué» Le plasma 19 peut ainsi être chauffé à des 5 températures élevées avec des densités relativement faibles, et le plasma peut être confiné dans des champs magnétiques existants ou possibles à réaliser pratiquement, bien connus. Bans ce but, le réacteur 21 peut être l'un des différents dispositifs connus pour le confinement magnétique d'un, plasma le long d'un axe 10 d'équilibre. Par exemple, le réacteur 21 peut être avantageusement un stellarator tel que le stellarator modèle C qui est en service à j.. Princeton University depuis environ i960, k ce point de vue, les paramètres réels utilisés suivant le présent mode de mise en oeuvre ont les valeurs recommandées dans le compte 15 rendu Princeton University Project Matterhorn Seport BÎ-529 (NYU7899) 1957» Les caractéristiques de conception de.ce stellarator sont aussi décrites dans les brevets des États-Unis d'Amérique N° 3.002.912, 3.012.955, 3*015.618, 3.016.341"et 5-278.384. Cependant, ce réacteur 21 peut aussi être un 'stellarator modifié 20 pour former un tokamak tel que le tokamak de la Princeton University. ' ' - A ce point de vue, pour faciliter l'explication des exemples de paramètres typiques pour un réacteur 21 dans lequel le faisceau de laser 23 du laser 11 passe 2.000 fois à travers le 25 plasma 19, sont indiqués par le tableau ci-après Petit rayon . - r = 10^ cm Grand rayon R = 10^ cm *16 Densité du plasma n = 2 x 10 Champ magnétique B = 3 x 10^ gauss (plasma « 0,1) 30 Température T = 5 x 10^ eV Q Energie du plasma J = 1,6 x 107 joules Temps de confinement , nécessaire 3 x 10"^seconde- 2 temps de Bote Nombre de passes néces-35 saires pour l'absorption 2^000 ' * Pour le fonctionnement suivant un exemple d 'un système tel que décrit ci-dessùs par rapport aux figures la et 1b dans lequel le réacteur 11 est un réacteur toroîdal évacué tel que 72 11607 14 2132370 le stellarator modèle C de la Princeton University, un dispositif courant 25 est utilisé pour introduire les matières Xormeuses de plasma dans le réacteur. Avantageusement, un gaz DT est introduit dans ce but dans le réacteur à partir d'une source 27. 5 Cependant, une grande variété d'autres matières et d'autres procédés peuvent être utilisée. Par exemple, le gaz peut être dopé avec des éléments à numéros atomiques élevés tels que l'argon, etq, De même, les matières pour plasma peuvent être injectées sous la forme de matières ionisées ou de molécules ou de particules pré-10 ionisées. En outre, ce réacteur comporte un enroulement axial classique (du type solénoïde). 29, un tel enroulement étant représenté pour faciliter 1'explication sous la forme d'un solénoïde autour du récipient à vide extérieur 31, le long de l'axe sans fin complet 33 pour établir dans .le récipient 31 un champ magné-15 tique toroîdal 35 ayant des lignes -de force 37 parallèles à l'axe 33 et formant des surfaces magnétiques cylindriques sans fin 39 concentriques à l'axe 33» D'une façon connue, ce champ produit par l'enroulement 29 comporte avantageusement périodiquement le long de l'axe 33 des miroirs magnétiques 41 qui sont 20 décrits en détail dans les brevets précités relatifs aux stel-1arators. Un dispositif 43 tel que des enroulements hélicoïdaux 45 et/ou un dispositif chauffant par effet Joule produisent avec l'enroulement axial 29 une transformation en rotation, un cisaillement et/ou un courant de plasma à effet de pincement 49 pour 25 obtenir des temps de confinement supérieurs aux temps de confinement de Bohm bien connus. Sous ce rapport, le dispositif chauffant ohmique 47 et/ou le dispositif de chauffage par résonance 51 du cyciotron à ions, qui sont classiques, sont alimentés en courant haute fréquence par une source convenable 53. Ainsi qu'il 30 est connu, avec le chauffage ohmique, le plasma 19 se comporte en secondaire d'un transformateur classique ayant un noyau en fer classique (non représenté) pour ioniser un mélange gazeux de deutérium et/ou de tritérium 55 basse pression d'environ 10,6 torrs dans le récipient 31 pour produire un courant de plasma 49 35 le long de 11axe 33 et qui pince le plasma sous la formé d'une colonne 57 en un champ toroîdal 59 à autofocalisation produite par le courant de plasma» Comme il est indiqué dans les brevets _ précités concernant le stellarator, la combinaison des conduc 72 11607 2132370 teurs axiaux et hélicoïdaux permet aussi un champ B moyen minimal de confinement du plasma le long de l'axe 33 du réacteur. Avantageusement, le récipient 31 comporte une chemise intérieure en cuivre 61 comme cela est classique pour les toka-5 maks, tels que le tokamak de la Princeton University & et des conducteurs s'étendant longitudinalement 63 le long de l'extérieur du récipient 31 pour centrer la colonne de plasma 57 le long de l'axe d'équilibre 33 du plasma sans fin-au centre du récipient 31» Dans ces conducteurs 63, le courant est avantageu-10 sement inversé séquentiellement en direction en progressant en section transversale autour de la circonférence du récipient 31 et à ce point de vue cela ressemble aux "barres d'Ioffe bien connues. Ces conducteurs 63 sont bien connus en ce qui concerne le tokamak de la Princeton University et les stellators de cette 15 université qui sont décrits dans les brevets cités ci-dessus, le tokamak de la Princeton University qui est un stellarator C modifié ainsi que le tokamak T-3 sont décrits dans la troisième partie du volume 2 de Senate Hearings devant la Com. in Approp. Public Works for Water, Pollution Control Power Develop and 20 Atomic Eng., 2nd Session, HE 18127. Des conducteurs 63 peuvent aussi être utilisés avec rotation de 90° en étages successifs le long de l'axe sans fin complet 33 pour former des quadripôles périodiques 67 (figure 3)• Ces quadripôles périodiques 67 produisent des champs moyens B 25 minimaux le long de toute la longueur de l'axe sans fin 33 dans le réacteur toroîdal 41 et ils sont arrangés en étages 65 correspondant aux étages 65 mentionnés ci-dessus. Avantageusement, ces quadripôles 67 sont tournés relativement de façon périodique de 90° à chaque étage 65 pour recevoir et pour transporter les 30 particules de plasma dans ces étages 65 successifs pour focaliser périodiquement et alternativement les particules de plasma dans des plans horizontaux et verticaux successifs. Ces quadri-pôles ont aussi pour effet d'établir des foyers périodiques 69 entre les étages 65 successifs. Par suite, le faisceau de laser 35 23 intersecte avantageusement le plasma 19 à ces premiers foyers 69 auxquels le faisceau a tendance à avoir un diamètre en section transversale et/ou une densité faibles. Cependant, le faisceau 23 réagit aussi avec le plasma à mi-distance entre ces 72 11607 w « 2132370 premiers foyers, c'est-à-dire entre les quadripôles périodiques 67 à côté de l'emplacement 7*1 sur l'axe 33 où le plasma a tendance à avoir une forme elliptique ou un diamètre relativement important. Sous ce rapport, les miroirs magnétiques 41 ayant 5 des puissances plus grandes sont de préférence utilisés aux emplacements 71» De préférence, le récipient 31 comporte des fenêtres 73 pour recevoir et pour transmettre le faisceau de laser 23 à partir et vers le plasma 19 et à partir d'un miroir 13 vers le 10 miroir 13 d'un étage 75 successif. Dans ce but, chaque fenêtre 73 est une petite fenêtre en verre transparent ou en saphir d'un diamètre au moins supérieur au diamètre du faisceau de laser 23. Suivant ce mode de réalisation, le diamètre du faisceau 23 est sensiblement inférieur au diamètre des fenêtres 73* De même, les 15 miroirs 13 réfléchissent de préférence efficacement la lumière de laser dans chaque étage 75» Dans ce but, les miroirs 13 ont une réflectance d'au moins 99*98%. De préférence, les miroirs 13 sont-des miroirs en cuivre ou en or refroidis aux températures de l'azote liquide. Cela réduit les pertes d'énergie en dehors 20 de celles résultant de l'absorption dans le plasma à environ it deux parties par 10 par passage du faisceau 23 à travers le plasma 19. De même, les tolroirs 13 sont disposés efficacement dans chaque étage 75 pour focaliser la lumière de laser réfléchie par chaque miroir vers le plasma 19 au centre des colonnes 25 de plasma 57 le long de l'axe d'équilibre sans fin 33 dans le . récipient 31. Par exemple, les miroirs 13 des différents étages 75 ont des formes classiques pour recevoir et collecter efficacement la lumière de laser après son passage à travers le plasma 19 afin que les miroirs 13 collectent et focalisent effi-30 cacement la lumière de laser pour la renvoyer dans le plasma 19 à chaque étage 75» Avantageusement, chaque passe pour le faisceau 23 à travers le plasma 19 a une longueur approximative de 2 x 10^ et le faisceau 23 effectue environ 5 x 10^ passages à travers le 35 plasma 19 pour une absorption efficace de l'énergie de la lumière de laser du faisceau 23. De plus, les miroirs 13 reçoivent et transmettent répétitivement le faisceau de lumière de laser 23 dans les étages successifs 75 pour établir un trajet 23 du 72 11607 17 2132370 faisceau de lumière intersectant de façon, répétée l'axe d'équilibre sans fin 33 de la colonne 57 de plasma toroîdal confiné magnétiquement dans les étages 65 successifs suivant un angle aigu 77. Par exemple, cet angle 77 peut être un angle de 45° 5 ou un angle inférieur à 45°. Suivant le mode de réalisation représenté sur la figure 1, cet angle est un angle aigu inférieur à 45° formé par l'intersection de l'axe 79 du trajet 81 du faisceau de lumière du laser avec l'axe d'équilibre 33 de la colonne 57 du plasma. Le trajet du faisceau de lumière de 10 laser 81 forme aussi les intersections 83 avec lui-même ou à côté de l'axe d'équilibre 33 entre les miroirs 13 successifs. Par exemple, le faisceau 23 se coupe avec lui-même et avec le plasma 19 à partir de différentes directions aux points communs 85, 87 et 89 qui se trouvent entre les emplacements 91 et 93 15 des miroirs correspondants, et leis intersections analogues existent périodiquement et séquentiellement entre les autres miroirs 13 voisins quand le trajet 81 du faisceau de laser progresse aller et retour à travers l'axe d'équilibre 33- Suivant un autre exemple du mode de mise en oeuvre de la 20 figure 1, le plasma 19 est dopé pour assouplir les paramètres©^ Sous ce rapport, l'absorption dans le plasma 19 de l'énergie du faisceau de laser 23 à pâàsages multiples à partir du laser 11 et des miroirs 13 augmente par dopage du plasma 19 avec de la matière 55 à Z élevé ayant un numéro atomique supérieur à celui 25 du deutérium ou du tritium. Par exemple, avec de l'hélium et/ou de l'argon, etc, la longueur d'absorption pour la lumière de laser de 10,6 microns est de 107 et chaque passe du faisceau âe laser à travers le plasma a une longueur de 2 x 10^cm, et la lumière traverse 5 x 10^ fois le plasma 19. Dans ce but, le 30 dopage apporte une augmentation jusqu'à 5 fois du coefficient . d'absorption ce qui est acceptable parce que le plasma Dï pur de 10 keV engendre 50 fois autant de puissance quand il produit un rayonnement, et le cinquième de cette énergie (ou dix fois la puissance rayonnée) est déposé dans le plasma 19 par les 35 produits de réaction chargés. Ainsi, suivant ee mode de mise en oeuvre dans le cas oît' une densité de 10 ou 10 ' d'un plasma dopé par de l'argon est établie., les longueurs d'absorption du laser par le plasma 19 sont de 10^ à 10^ centimètres. A des 72 11607 is 2132370 températures de 10keV, les intensités des champs magnétiques décrits ci-âessus, sont dans le récipient 31 respectivement de c c 3 x 1£K et 9 x 1CK pour les densités mentionnées. Suivant ce dernier mode de réalisation, le faisceau de vapeur 23 traverse 5 cinquante fois le plasma 19 du fait d'une disposition et d'un réglage convenables des miroirs 13« Suivant un autre exemple de dispositifs selon la figure 1, —2 comme 1* longueur d'absorption décroît comme / et comme la réflectance des miroirs métalliques 13 augmente quand la lon-10 gueur d'onde de la lumière du laser augmente, la longueur d'onde pour le chauffage d'un plasma 19 d'une densité de 10 particule s/ca^ peut être de 300 microns, de sorte que la longueur / iL d'absorption peut ne pas dépasser 10 centimètres, ce qui cor-respond à cinq passages à travers le plasma dopé à densité faible 15 19 décrit ci-dessus. Même une lumière de laser de 30 microns réduit le nombre de passages pour la lumière de laser à 300 dans ce cas. Dans ce but, il est possible d'utiliser le système de laser à eau et vapeur d'eau ou un autre système de laser à grande longueur d'onde. De même la fréquence de la lumière d'un 20 laser à CO^ de 10,6 microns peut être efficacement abaissée par un réducteur de fréquence 95- Suivant un autre exèmple d'un système selon la figure 1, un plasma ayant une température de 5 keV est confiné avec une A 30 cet exemple, le plasma 19 est "à sa température de combustion de 5 keY. Dans ce cas, le dc^age décrit plus en détail ci-après n'est pas nécessaire bien qu'il soit facultatif. De même, le plasma 19 de 5 mentionné ci-dessus donne un facteur d'amélioration de 11 pour l'absorption par rapport au plasma 19 de 35 10 keV non dopé. Suivant un autre exemple du mode de mise en oeuvre de la figure 1, un plasma 19 de 1 keV est établi par le dispositif décrit ou un autre dispositif classique dans le réacteur 21. 72 11607 19 2132370 Cela augmente le coefficient d'absorption par un facteur de 3 x 10^ par rapport à celui d'un plasma de 10 feeY avec la même intensité de champ magnétique toroîdal B, de sorte que l'intensité B nécessaire est obtenue de façon classique» Les paramè- 5 très suivant ce mode de réalisation sont une densité êet plasma 16 ï de 2,5 x 10 particules/cnr dans le réacteur toroicûa! 2!» un petit rayon de réacteur toroîdal de 10 cm, un grand rayon, de réacteur toroîdal de 100 cm, un champ magnétique toroîdal de 150 k&, 2,5 x 10^ joules d'énergie de laser à partir d'un aa 10 plusieurs lasers 11, 100 à 1.000 passages du faisceau de laser à travers le plasma 19 et un temps de confinement de Bohm de —iL 6 x 10 seconde. Suivant un autre exemple d'un système selon le mode de mise en oeuvre de la figure 1, les paramètres de base mentionnés ci- 15 dessus sont modifiés pour que le laser 11 produise 10^ joules en —4- 10 seconde et tua plasma de 100 eV a une densité de 2,5 x 10 dans un champ magnétique toroîdal de 50 kG dans uniéacteur 21 ayant un grand rayon de réacteur de 30 centimètres. Le système décrit à faible coefficient d'absorption a l'a-20 vantage de permettre une commande large du chauffage du plasma 19. A ce point de vue, le plasma 19 peut être chauffé de façon sensiblement uniforme ou de façon préférentielle, dans certaines régions prédéterminées par le passage répété du faisceau de laser 23 à travers ces régions, par exemple à l'intersection83. 25 De même, aux températures inférieures décrites ci-dessus iL existant pour obtenir un plasma 19 de 10 eV, l'absorption est efficace, de sorte que le coefficient d'absorption faible ne décroît appréaciablement en rendement que près de la fin et®, la période de chauffage. Cependant, à ce point de vue, la combustion 30 thermonucléaire assure un rendement global élevé pour le réacteur 21 décrit. Ce qui précède décrit plusieurs exemples d'appareils et de procédés selon l'invention pour chauffer un plasma, toroîdal, mais 11 doit être compris que le système à grande longueur d'onde 35 selon l'invention peut aussi être utilisé pour chauffer des plasmas linéaires pour lesquels ont été utilisés les réacteurs de recherche pour le plasma commandés à extrémités ouvertes thermonucléaires et/ou linéaires antérieures. Sous ce rapport, il est 72 11607 2132370 coimu depttis longtemps que des tubes droits longs 101 sont disponibles, un plasma 13 étant confiné dans ces tubes en étant écarté des parois 103 du tube 101 par un champ magnétique qxial fort 105 produit dans le tube 101 par un solénoïde axial 107 de 5 la façon représentée sur la figure 2. Comme l'appareil de la figure 2 correspond à l'appareil représenté sur la figure 4 de la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique 12.518 précitée, il doit être compris que la présente invention est un perfectionnement de celle décrite dans cette dernière demande. 10 II est bien connu que le plasma 19 contenu dans le tube 101 a tendance à échapper par les extrémités 109 du tube 101, de sorte que le plasma 19 est perdu dans un temps de l'ordre de _ L o => — ^ 10 L secondes ■ Par exemple, il sera supposé un solénoïde 107 d'une lon-15 gueur L établissant un champ magnétique "B. Une colonne de plasma 111 d'un rayon r doit être produit au centre du solénoïde 107 dans le tube à vide 101. La condition est assez similaire à celle produite dans les pincements 0 de la façon décrite page 90 et les suivantes de "Project Shervood - The U.S. Program in Control-20 led Fusion" par Amasa S. Bishop, Addison Vesley Publishing Company, 1958, sauf que le plasma 19 selon l'invention est produit par tin laser à grande longueur d'onde 11 conformément à l'invention tel que.le laser à COg décrit. Par suite, le procédé et l'appareil selon l'inverfcLon pour établir le plasma 19 dans 25 le tube 101 sont indépendante du procédé pour établir le champ magnétique B, et de ce fait une indépendance est obtenue avec la présente invention. Avec un plasma 19 confiné magnétiquement à Jh = 1, qui a été sensiblement obtenu au cours des expériences de pince-30 ment 0 droit connues jusqu'ici , un champ magnétique de 3 x 10^ G peut être utilisé. Cette valeur est élevée, mais elle est bien dans les limites de la technique de champ puisé, bien que des champs statiques B puissent aussi être utilisés. Sous ce rapport, des conducteurs à résistance normale et/ou des supraconduc-35 teurs stabilisés avec des métaux à résistance normale, tels que le cuivre, peuvent être utilisés d'une façon connue par les spécialistes. La pression magnétique B associée à ce champ de 3 x 105 G est de 4 x 10^ atmosphères, ce qui peut confiner un 72 11607 2132370 plasma de n = 1017 e T » 10 keV La longueur d'absorption pour un tel plasma DT 19, obtenue 5 d'après l'équation (1), est / = 5 x 10^ cm. Par suite, suivant un exemple d'un appareil selon la figure 2 pour un plasma 19 à^/3* 1, les paramètres suivants sont utilisés pour un réacteur linéaire 113 pour une fusion thermo-nucléaire commandée avec un laser à grande longueur d'onde selon 10 l'invention tel que le laser à COg 11 décrit Intensité de champ magnétique 3 x 10^ gauss "17 Densité du plasma n = 10 'particules/ cnr Température du plasma 10 keV Temps de confinement nécessaire pour 15 obtenir 10 fois l'énergie nécessaire , * pour chauffer le plasma 6 x 10"^ s Longueur nécessaire (sans dopage) 6 x IO-' cm Longueur d'absorption (sans dopage) 5 x 10^ cm Energie nécessaire (en supposant un 20 rayon de plasma de 1 cm) 10^ joules Si le rendement du laser 11 est de 30 % = 0,3) et si le rendement de conversion de l'énergie thermonueléaire à la sortie en énergie électrique est de 30 % ( 6-, = 0,3), la valeur _ 14- nécessaire, de nf est 6 x 10 . La longueur de ce dispositif 25 est supérieure à la distance d'arrêt pour les produits de réaction, et aussi 10 fois supérieure à la longueur d'absorption. Cependant, il est avantageux de réduire cette longueur 1 et ds raccourcir le solénoïde 107 et le tube 101 dans toute la mesure possible pour réduire le prix et les besoins en énergie et pour 30 former un dispositif ne produisant pas plus d'énergie que celle pouvant être utilisée. Suivant un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'énergie thermonucléaire produite peut être utilisée pour réexciter le laser ■ 1.1 _ pour augmerrfcer le rendement global du réacteur * 35 Dans ce but, l'énergie sortante du réacteur 115 est reçue par un dispositif 115 et elle est transmise au dispositif d'alimentâtioii 117 pour le.laser 11 » N'importe quel transducteur convenable peut être utilisé pour constituer le dispositif 115= Par exemple, 72 11607 22 2132370 le dispositif 115 peut être avantageusement une source de courant classique convertissant l'énergie sortante du réacteur 113 en énergie électrique» Par suite, le dispositif 115 peut être avantageusement une machine 115 à cycle de Camot classique, 5 mais en variante, il peut être un convertisseur direct 115 tel qu'un dispositif thermoélectrique, thermodynamique eu magnéto-hydrodynamique. De même, pour l'absorption de la radiation du laser, la longueur 1 du solénoïde 107 et du tube 101 peut -être réduite d'environ 5 fois en dopant le plasma 19 avec un dopant 10 à numéro atomique Z élevé, tel que l'argon ou un élément ayant un numéro atomique supérieur à celui de l'hélium. De plus, selon une autre caractéristique de l'invention, la longueur du réacteur 113 décrit ci-dessus est réduite en confinant axialement le plasma 19 avec la matière des parois 103. 15 Dans ce but, il est nécessaire de protéger les parois 103 contre le plasma chaud 19 en établissant une couche 119 de gaz froid haute pression 121. qui est injecté à partir d'une source 123 entre le plasma 19 et les parois 103, pour former une couche écran de gaz froid 125. Cette couche écran de gaz froid est 20 nécessaire pour absorber le flux thermique élevé transporté aux extrémités. De même, les parois 103 sont formées d'une matière perméable magnétiquement, telle qu'un acier inoxydable et une autre matière convenable connu», «pour supporter -la pression nécessaire de 3-000 atmosphères, et des matières d'alimentation 25 convenalïlaa pour le plasma 19 sont envoyées à partir d'une source telle que la source 27, dans le tube 101 afin que la réaction de fusion s'entretienne d'elle-même dans le plasma 19 malgré les pertes par conduction de chaleur aux extrémités opposées 109 dû tube 101. Le temps pour le refroidissement du 30 plasma par cette conduction de chaleur est donné par Si le confinement de la chaleur satisfait à 1'équation(20) (voir 782), la réaction maintiendra la température. Ainsi, (Z + 1)neL2 1020t5/2 (22) e 35 42 - 1,5 x loV2 (Z + 1)ne(ne 4 nt) (23) 72 11607 23 2132370 ou pour n = 10^, T = 10^" et 2 efficace égal à 5 / = 5 ï 104 cm Cette longueur est environ 1/5 de la distance nécessaire pour arrêter les produits de fission qui céderont 2/5 de leur 5 énergie dans le plasma 19. La longueur "1 doit ainsi être multipliée par V* pour réduire la conduccion de chaleur de deux fois tandis que la fraction de l'énergie de la réaction cédée est augmentée. Pour les densités décrites, le réacteur de la figure 2 10 est avantageusement utilisé sur le mode puisé pour que les parois 103 puissent supporter les flux intenses de neutrons et de radiations. Sous ce rapport, la couche écran de plasma "froid* 125 forme un écran contre les rayons X mous pour les parois ^03. Quand le dispositif de la figure 2 tel que décrit ci-dessus 15 contient un plasma non dopé 19 à une température voisine de la température d'allumage de 4,2 keV, la conduction de chaleur est favorable, l'arrêt des produits de réaction est favorable et l'absorption de la radiation est favorable dans un réacteur r- /i linéaire 113 d'une longueur 1 = 1,4 x 10 cm. Cependant, quand 20 le champ de confinement magnétique axial B augmente, la longueur du tube 101 peut être réduite de façon correspondante, cette _p longueur étant proportionnelle à B . Ainsi, pour un champ de 5 x 10^G, la longueur. 1' est de 5 x 10^ cm quand = 1. Dans la .mesure où ce Ji n'est pas obtenu, il est compensé par la longueur 25 1 appropriée. Suivant un autre exemple de dispositif suivant la figure 2, les pertes de particules de plasma aux extrémités 109 du tube cylindrique 101 sont réduites en établissant périodiquement des miroirs magnétiques classiques 41 le long du tube 101, d'une 30 façon connue. Des miroirs magnétiques 41 typiques pouvant être utilisés avec l'exemple décrit ci-dessus d'appareil selon l'invention, sont décrits page 51 et suivantes et page 167 et suivantes dans "Project Sherwood - The U.S. program in Controlled Fusion" par Amasa S. Bishop, Addison-Wesley Publishing Company, 35 1958. La page 61 et les suivantes de la publication Glasstone indiquée ci-dessus décrivent aussi des miroirs magnétiques classiques. Pendant le fonctionnement d'un appareil suivant l'un des 72 11607 2132370 exemples de la figure 2, le solénoïde 107 produit une variation périodique du champ magnétique axial B-le long de l'axe 127 du solénoïde 107 (le tube 101 et le solénoïde étant coaxiaux) pour établir des miroirs magnétiques périodiques 41 le long de l'axe 5 127 de la même façon que les miroirs magnétiques 41 mentionnés ci-dessus établis le long de l'axe 33 du stellarator décrit ci-dessus. Comme il apparaît sur les figures 3/+ et 3» 5 de la • publication Glasstone et al mentionnée ci-dessus dans un miroir magnétique classique les particules ont tendance à être déplacées 10 d'une région d'intensité de champ magnétique plus faible le long de l'axe 127 vers une région d'intensité de champ magnétique plus forte le long de l'axe 127, de sorte que les particules sont réfléchies en retour vers la première région- Le miroir magnétique classique a ainsi tendance à se comporter comme une sorte 15 de puits de potentiel qui empêche l'échappement de nombreuses particules chargées (et des pertes d'énergie) aux extrémités. Suivant cet exemple de mise en oeuvre de l'invention, les miroirs 41 sont espacés d'un libre parcours moyen les uns des autres afin que les particules suivent des trajets au hasard d'un miroir 41 20 au miroir 41 immédiatement suivant, etc.» de sorte que la perte de plasma à travers les extrémités 109 des tubes 101 a lieu par diffusion. Autrement dit, cette configuration établit un champ magnétique modulé, de sorte que le plasma 19 est pompé magnétiquement par les miroirs magnétiques 41 pendant qu'il s'écoule 25 axialement hors du dispositif. Cela dissipe l'énergie provenant de l'écoulement de plasma le long de l'axe d'équilibre du plasma 127 et à travers les miroirs magnétiques 41, de sorte que cet écoulement est dispersif et la diffusion est naturelle* Avec le libre parcours moyen de particules dans le plasma 30 19 égal à la distance entre les miroirs 41, le coefficient de diffusion est Iv D a (24) 2 M expression dans laquelle £- est la séparation entre les miroirs 41, est la vitesse thermique des ions et M est la modulation 35 du champ magnétique ( M «= A B/B). Suivant cet exemple, le champ axial B «st égal à 300 kG et le champ de miroir est égal à 500 kG, de sorte que M est égal à 72 11607 25 2132370 0,3. De même, le plasma est dopé pour que Z efficace soit égal à.5, et le libre parcours moyen est de 200 cm pour une densité de plasma de 10^ particules/cm^. Ainsi, le coefficient de 11 4 diffusion est 2 x 10 et la longueur du tube est L ~ 3,3 x 10 4IL 5 cm, ce qui donne un n f de 5 x 10 . Avantageusement, il existe 180 miroirs magnétiques le long de la longueur L du réacteur 113- Le réacteur peut aussi fonctionner à 5 avec une densité 17 de plasma de 2 x 10 ' et des miroirs tous les 100 cnu Dans ce cas, pour le même champ magnétique le coefficient de diffusion 10 est 9 x 10^®et pour L égal à 3)3 x 10^ la valeur de nf est 2 x 1015. Suivant un autre exemple d'appareil selon la figure 2, des quadripôles 67 assurent la stabilité du plasma le long de l'axe 127 du réacteur 113. Par exemple, suivant la figure 3» ces qua-15 dripôles périodiques 67 établissent une configuration B moyenne minimale sans conducteurs intérieurs, d'une façon connue, par exemple de la façon décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3*278.384. Ces quadripôles périodiques 67 établissent un champ de base Bq qui est appliqué le long de l'axe 127 pério-20 diquement et séquentiellement pour recevoir et pour transporter les particules de plasma dans les étages 65 successifs» Dans ce but, une cage 129 de conducteurs 63 est avantageusement formée par quatre barres conductrices 131 également espacées et s*étendant longitudinalement le long de l'extérieur du tube 101 et 25 situé en section transversale aux angles d'uni carré 133 dont l'axe coïncide avec l'axe 127 du tube 101. Le courant change de-direction d'une barre 131 à la barre 131 voisine en progressant sur le pourtour du carré 133- De plus, dans chaque étage 65, 1-îs courants des barres sont tournés symétriquement de façon rela-30 tive de 90° en section transversale d'un étage 65 à l'étage 65 suivant pour former des étages de quadripôles périodiques 63 suivant le mode d'utilisation de ces termes dans la technique des accélérateurs, de la façon décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3.171.025. Dans ce but, et aussi pour former 35 des miroirs successifs 41, des barres 1J5 sont placées transver-salement à l'axe 127 et sont perpendiculaires aux barres longitudinales 131, et elles sont situées aux jonctions 137 entre les étages de quadripôles voisins 65 pour former les miroirs 41. 72 11607 2132370 Par ailleurs, ainsi qu'il est facile de le voir, 1'appareil de la figure 3 comporte les mêmes éléments et paramètres décrits ci-dessus pour les exemples de la figure 2. A ce point de vue, le tube 101 des parois 103, le solénoïde 107, les miroirs 5 magnétiques 41 et le laser à grande longueur d'onde 11 sont les mêmes pour les exemples suivant les figures 2 et 3. De plus, relativement aux exemples décrits ci-dessus par rapport aux figures 1, 2 et 3, il est avantageux de prévoir une stabilisation par réaction. Dans ce but, suivant un exemple, un 10 dispositif 141 tel qu'une sonde de Langmuir 143 détecte les ondes.d'instabilité de la longueur d'onde, un déphaseur 145 déphase l'onde détectée de 180° et un amplificateur 147 envoie dans le plasma 19, à travers un dispositif 149 tel qu'une sonde de Langmuir, l'onde déphasée et amplifiée de l'amplificateur 143 15 correspondant à l'onde détectée par la sonde 143. La radiation du laser à grande longueur d'onde chauffant le plasma peut aussi être utilisée pour la stabilisation par réaction. D'autres systèmes convenables pour la stabilisation par réaction et la stabilisation dynamique du plasma 19 selon l'invention utilisent 2C la même forme de radiation électromagnétique ou d'autres formes de radiations électromagnétiques, de la façon décrite dans les demandes de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 12.309 et 12.310 toutes deux du 18 Février 1970. Les systèmes de stabilisation par réaction décrits dans ces deux dernières demandes de brevet 25 sont mentionnés dans cette desçription ,à titre de référence. Pour que le laser 11 produise la colonne mince longue désirée 111 de plasma 19 de façon décrite par rapport aux figures 2 et 3, le* faisceau de laser 23 doit être focalisé en un faisceau également mince 23 sur la longueur 1 la colonne de 30 plasma 111. Si la diffraction du faisceau 25 est limitée, le rayon nécessaire pour le faisceau 23 pour une longueur 1 donnée est approximativement r ** \ (£> )1/2 (25) Pour un système (réacteur 113) d'une longueur de 10^ cm 35 et pour une longueur d'onde de 10"^ cm, cela donne un rayon de 1,5 cm. Pour un tel plasma, il est avantageux de considér 72 11607 27 2132370 Si le plasma est produit par envoi du faisceau du laser 11 dans un gaz froid 55, le laser 11 et le plasma 19 se focaliseront d'eux-mêmes parce que la région centrale de la colonne de plasma 111 sera plus fortement chauffée, et le plasma 19 chauffé se 5 dilatera légèrement malgré le champ magnétique 105 en réduisant ainsi la densité du plasma et la vitesse de phase des ondes du laser. Le faisceau de laser 23 constitue ainsi line sorte de guide d'onde pour lui-même. Suivant les modes de réalisation des figures ~ et 3, le plasma 19 aura ainsi deB densités supérieures 10 vers l'extérieur du plasma dans le tube 101, quand il est formé à partir d'un gaz froid 55, et de façon semblable, dans ce cas le plasma 19 aura des densités inférieures vers l'intérieur du tube 101, c'est-à-dire dans la colonne chauffée 111 vers l'axe 127 du tube 101. 15 Le rayon de plasma nécessaire pour ces plasmas droits longs 19 est déterminé par la nécessité que les pertes radiales de plasma 19 et d'énergie ne dépassent pas les pertes axiales, par exemple celles déjà choisies comme juste tolérables. Par suite, les valeurs suivantes sont données pour les rayons pour les con-20 ditions décrites ci-dessus : r = 0,3 cm pour la diffusion classique quand il n'y a pas de pertes par conduction de chaleur .perpendiculairement au champ B r = 2 cm pour des pertes de chaleur -par conduction de chaleur classique perpendiculairement au gaz froid entourant le 25 plasma 19, r = 52 cm pour la diffusion de Bohm Les énergies nécessaires pour chauffer le plasma 19 sont: £ 1,1 x 10 joules pour le confinement classique 5 x 10^ joules pour la conduction de chaleur classique, 30 vers la couche écran de gaz froid, 10 4 x 10 joules pour des pertes de plasma ou des pertes de chaleur données par la formule de Bohm. Quand la diffraction limite la dimension du faisceau 23, pour une radiation de 10 microns et une longueur de 10^ cm le 35 rayon est 2,5cnidonné par l'équation 23. Cependant, la couche écran de plasma dense froid assure .l'aut.ofocalisation de la façon décrite ci-dessus et les pertes de Bohm ne sont pas à envisager. Ce qui suit donne un exemple des paramètres de ces plasmas' 12 11607 2132370 10 15 20 25 50 à autofocalisation en tenant compte de l'écoulement de ces plasmas à travers les champs magnétiques des appareils des figures 2 et 3, ainsi que d'autres caractéristiques présentant un intérêt. Ce sont des exemples de plasma qui ne sont pas aux conditions thermonucléaires mais qui peuvent être utiles pour les expériences qui peuvent avoir de la valeur pour l'utilisation industrielle quand des plasmas non thermonucléaires sont utiles. F 1 35 40 ne *e B L l r J r absorption N° 2 Bohm *rr Classique ^conduction de chaleur radiale classique Y conduction de chaleur classique parallèlement à B *e B 1 r J Bohm ^pertes extrémités ^"classique t".•/''nrit'i on flf* -^ur radiale classique . . « 1018 =100 eV > 9 x 104 G s 10 cm = 10 cm = 10~1 cm =15 joules _7 = 5 x 10 'seconde, écoulement libre à l'extérieur par les extrémités. —7 m 4 x 10 'seconde (en supposant = 10 4 x 10 -7 -6 B = 100 kG) seconde (en supposant un Z efficace de 1; = 6 x 10 18 -6 (en supposant un Z efficace de 1) = 10 = 10* > 3 x 105 G = 100 cm = 10*1 cm = 1.500 joules = 1 ,2 x 10"''seconde -6 1,67 x 10 *-4 seconde 1,2 x 10 3 x 10~6 seconde (en supposant B=300 kG) seconde (en supposant B « 500 kG) 72 11607 29 2132370 T conduction de chaleur = 3 x *10"^ seconde classique parallèlement à B Temps de confinement t» 10~^ seconde (en utilisant des miroirs de 500 kG tous les 5 cm sur la longueur peur limite 1'écoulement hors des extrémités) Un autre aspect de la présente invention, qui s'applique aux modes de réalisation décrits, est l'absorption non linéaire améliorée qui a lieu quand la fréquence du laser est à la fréquence ou légèrement au-dessus de la fréquence des ondes longitudinales dans le plasma 19. Cette absorption améliorée est due à l'excitation d'oscillation du plasma longitudinal et cela a 15 lieu si u ji q une température de 1 keV et pour une densité de 10 7 pour produire A A cet effet avec une radiation de 10 microns est de 10 watts/cm2 c 20 Un second mécanisme d'absorption non linéaire a lieu par excitation de deux ondes longitudinales du plasma par les pho-tons de laser du faisceau 23 du laser 11. Pour ce cas, la fréqtten» ce de laser est comprise dans la plage 2u>p 25 ou pour des densités descendant à 0,13, qui est la densité critique. La puissance nécessaire pour exciter ces instabilités AQ. *% Q 2 dans des plasmas de densité d'environ 10 à 10*7particules/cnr à une température des électrons de 1 keV est comprise entre 30 3 x 10^ V/cm^et 3 x 10^^V/cm^. De plus, l'énergie de la lumière du laser peut être absorbée sur une distance très courte (par exemple pouvant ne pas dépasser 10 longueurs d'onde) et la température du plasma peut être fixée à des valeurs élevées. Il apparaît ainsi comment les ondes électromagnétiques 35 transversales de grande longueur d'onde intenses du laser selon l'invention avec des fréquences approximativement égales à la fréquence du plasma 19 produisent des instabilités utilisables 72 11607 2132370 du plasma impliquant à la fois des fluctuations des densités des ions et des électrons. Par convenance, l'application de ces fluctuations au chauffage du plasma '19 suivant le mode âe réalisation décrit et les exemples de mise en oeuvre de l'invention sont 5 appelés des instabilités paramétriques conduisant au chauffage amélioré du plasma 19» La discussion théorique de ces instabilités paramétriques est donnée dans des articles de John îl. Bawson et autres dans Phys. Eev. Letters 25, 430-4-33 (1970); 24 987-998 (1970) et Phys. fluids 12, 2586-2591 (1969). 10 Ces effets ont lieu quand la fréquence du plasma est à la fréquence du. laser ou à une fréquence relativement voisine, avec un facteur de 2 ou de 3, de sorte que cet effet ne peut avoir 'T ^ lieu seulement que jusqu'à des densités inférieures de 10 par™ ticules/cm3« Cependant» il est particulièrement désirable d'ob- 1 15 tenir l'absorption améliorée à des densités de 10 , Ceci est possible avec la radiation de 100 microns pouvant être produit» par le laser à E^O mentionnée ci-dessus ou par abaissement de la fréquence de la radiation initiale de 10 microns» De cette façon, le système à grande longueur d'onde selon l'invention est effi-20 cace pour chauffer le plasma 19 d'une densité descendant au A ÇZ "2 moins à 10 particules/cm-3. En plus de ce qui précède, le système de laser selon l'invention implique une absorption de synchrotron inverse appré-ciable à des multiples de la fréquence du cyclotron. La lon-25 gueur d'absorption dans ce cas est donnée par 70 x 108B »o02 j-3/2 n ne C";) r5 ( ' 2 o m C -j2 kT expressions dans lesquelles j est un multiple de .'la fréquence du cyclotron (w/yi ) et n est la densité d'électrons et T CS 6 6 30 la température en eV. A kT ££■ 10 keV, m c'"/'kT eù cela est une distance large pour une valeur de j supérieure à 5 ou 6. Pour une radiation de 10 microns, uj est égal à iV pour un n C" champ de 10' gauss. D'autre part, une radiation âe 100 microns augmente ce mécanisme d'absorption, et des champs supérieurs 35 augmentent aussi ce mécanisme d!absorption. 72 11607 31 2132370 Suivant le mode de mise en oeuvre de l'invention représenté sur les figures 4, 5 et 6, le plasma 19 comporte un conducteur central pour le transport du courant 161 en plus d'une paroi conductrice]^ entourant 11 ensemble. la paroi 5 163 peut être avantageusement en cuivre d'une résistance normale. Le conducteur central 161 établit un champ magnétique 171 dans la direction ©, et € une façon bien connue, un plasma peut être établi et confiné entre le conducteur central 161 et la paroi conductrice 163. Conformément à l'invention, le plasma 19 10 est produit dans la partie annulaire 173 du faisceau de laser à grande longueur d'onde du laser 11 à travers un gaz DT de densité relativement faible 55 dans la partie annulaire 175» Bien que le champ B^ confine les particules de plasma dans la direction axiale, ce champ est caractérisé de façon bien 15 connue par des instabilités flutées qui ont tendance à éjecter les particules du plasma radialement vers l'extérieur. Cependant selon la présente invention, cette instabilité flutée est stabilisée hydromagnétiquement en permettant au plasma de se dilater jusqu'à la paroi 163 afin que la pression du plasma tombe radia-20 lement vers l'extérieur et qu'elle ait un gradient prédéterminé décrit plus en détail ci-après. Sous ce rapport, conformément à l'invention, la condition de stabilité contre l'effet fluté, c-onnue aussi comme instabilité d'échange, est que PV Y doit augmenter (ou au moins rester 25 constant) avec l'augmentation du rayon r à partir de l'extérieur 175 du conducteur central intérieur 161 dans une direction s'éloignant de l'axe 177 du conducteur 161. Dans ce terme, V est le volume des tubes de plasma contenant des flux magnétiques égaux, dans le sens de .ce terme utilisé £ans cette technique,. 30 par exemple d'après le brevet des Etats-Unis d'Amérique, 5.278.384 précité suivant lequel V est le y monoatomique usuel pour un gaz adiabatique ( y = C /Cv = 5/3)-' Ce qui précède concerne principalement le plasma à j3 faible. La condition pourla stabilité est que 35 p^0/3^ constante ou croisse avec r» Avec la densité constante jusqu'à la paroi 163, la température doit satisfaire à la relation Tr constante 72 11607 52 2132370 pour une température Tq de 10 keV dans la colonne 111 et avec pour les parois extérieures 5 Bien que la paroi décrite puisse supporter cette dernière température, cette possibilité est améliorée quand le rayon de la paroi 163 augmente, même légèrement. De plus, la température du plasma 19 à l'intérieur du tube 101, utilisée pour le réacteur 169» tombe encore plus rapidement si la densité du plasma aug-10 mente avec r, et par suite améliore cette capacité de la paroi l6j de façon encore supérieure. A ce point de vue, la température du plasma à la paroi 163 peut être réduite à 1 eV. Cette couche relativement épaisse 119 de gaz relativement froid entre le plasma thermonucléaire 19 et la paroi 1(jj3 repré-15 sente dans une grande mesure une protection pour la paroi 1g 3 contre les rayons X mous émis par le plasma 19- Cette protection augmente de plus quand la densité du plasma dans la couche 119 augmente près de la paroi 163» le libre parcours moyen d'un photon de 1 keV à travers un plasma d'hydrogène à 1 eV avec une 20 densité de 10^ particules/cm^, étant de 0,5 cm d'après l'équation (1). Un autre avantage de l'-appareil décrit par rapport à la figure 4 résulte du fait que le conducteur central conducteur de courant 161 est sous compression par rapport au champ magné-25 tique 171 décrit ci-dessus. Des champs magnétiques importants 171 peuvent ainsi être établis avec un équipement classique bien connu. Pour éviter les instabilités de gonflement dans le conducteur central 161, par exemple du, fait des instabilités en noeuds bien connues, du plasma, un dispositif convenable 181 applique 30 line tension star le conducteur central 161. Pour un conducteur central mince 161, cette tension qui est égale à la pression magnétique confinant le plasma 19» équivaut à un champ d'environ 5 x 10-*G. Cependant, pour un conducteur central 161 d'un rayon défini, ou pour des impulsions suffisamment courtes, des tensions 35 et des champs supérieurs correspondants sont utilisés.. Ainsi, g pour des champs de 10 G, le confinement pour des densités de Q X plasma jusqu'à environ 10 particules/cnr sont envisagées sui- tL vant ce mode de réalisation à 10 eV ou l'absorption de l'énergie 72 11607 33 2132370 du faisceau de laser 23 par le plasma 19 est efficace et/ou la 3 longueur d'absorption est de 5 x 1Cr dans ces conditions. Des exemples de réacteurs 169 du type décrit ci-dessus par rapport aux figures 4, 5 et-6, ont les paramètres suivants: 10 15 20 25 30 35 Barre centrale Champ B de la surface de la barre Courant dans la barre centrale Densité de courant dans la barre centrale Bayon intérieur du plasma chaud Eayon de la paroi extérieure Longueur Densité du plasma Température du plasma Longueur d'absorption 1,8 x 10&m Energie nécessaire au démarrage Temps pour la perte de chaleur par conduction radiale de chaleur (classique) Temps de Bohm pour la direction radiale-' : 20 cm 5 x 105G 7 5 x 10' ampères 4 x 10^ Â/cm^ 25 cm 250 cm 10* cm 3 x 1017 3 x 10* à la frontière intérieure 18 passages Q 2 x 10^ joules 0,02 seconde (nl'=6x10 ■') 2 x 1 8 x 10~*seconde (si la perte est vers l'intérieur-vers le conducteur central) Temps classique pour la diffusion vers le conducteur intérieur Perte due à 1•excursion V B aux extrémités Temps de perte des produits de réaction dû à l'excursion "V B 1,? x 10"^ seconde 1,4 seconde -3 5 x 10 ' seconde produits 5 keV 40 Temps d'arrêt pour le de réaction Temps de Lawson pour (n = 3 x 101?) Durée pendant laquelle la réaction doit être maintenue 4 x • 10 ^seconde •1,4 x 10" seconde 72 11607 34 2132370 10 15 pour la production d'autant d'énergie que celle contenue dans, le champ magné-tique. 2,8 x 10 -'seconde Suivant d'autres exemples, pour un essai pilote l'appareil peut être bien plus'petit. Les valeurs suivantes sont un exemple de ce qui peut être considéré. fiayon du conducteur central Rayon de la paroi extérieure fiayon intérieur du plasma Champ B à la surface du "barreau Courant dans le barreau central Densité de courant dans le barreau central Longueur Température du plasma 20 25 30 35 Densité du plasma Longueur d'absorption Saergie nécessaire Temps pour les pertes de chaleur par conduction radiale Temps de Bohm pour la direction radiale 2 cm 21 cm 3 cm 1,5 x 105G 1,5 x 106â >5 A/cm* 1,2 x 10-iOO cm 500 eV à la frontière intérieure, 1 eV (environ) à la paroi extérieure. 5 x 1O17C0= 0,3 à la frontière intérieure) 170 eu à la frontière intérieure. 1,1 x 105 joules _Zi. 10 seconde 10~ seconde si la diffusion est vers l'extérieur. -5 10 ^ seconde si la diffusion est vers le conducteur intérieur. 4 x -3 10 ^ seconde Temps de diffusion classique vers le conducteur intérieur Perte axiale due à 1 ' excursion ^B En considérant le confinement du plasma aux extrémités 201 et 203 du réacteur 169, les excursions graduées de j3 produisant 3 x 10~4 seconde 72 11607 35 2132370 la séparation des charges sont court-circuitées. Dans ce but, suivant un exemple, le confinement de la pression aux extrémités 201 et 203 est assuré par le gaz neutre -froid 55 qui est introduit dans l'anneau 173 du. réacteur 169 à travers les ouvertures 5 207 des plaques d'extrémité 209 et 211, à partir de la source de gaz 27, qui, de préférence est une source de DT. Dans la région 211 dans laquelle le gaz 55 se mélange avec le plaèma 19, des courants passent à travers le champ magnétique 171 vers les plaques des extrémités 209 et 211. Suivant un autre exemple, du 10 courant est extrait et est envoyé dans la barre centrale aux points A et B (figures 7 et 8) qui sont à une faible distance 1 des extrémités. Sur les figures 7 et 8, les références ont les significations suivantes. Les le-ttres À et B sont les points considérés ci-dessus, N° 1 à 8 sont les conducteurs radiaux de 15 courant, N° 9 est le conducteur central, Jq(C) est le courant aT-i^l fort à gauche, Jq(D) est le courant axial fort à droite, J^(E) est le courant axial faible au milieu. Sur la figure 9, les flèches inférieures représentent les lijçnes de forces/3 g. J3q(Ï") est le point zéro de j9 q et UT° 9 est le conducteur central. 20 Comme le courant axial dans les sections d'extrémité est supérieur à celui dans la section centrale est supérieur dans ces régions. Un minimum est ainsi formé dans la direction axiale et empêche la perte axiale de plasma. Le champ magnétique au voisinaere App conducteurs radiaux de courant est similaire à un 25 champ multipolaire (figure 9), les conducteurs de courant étant blindés par rapport au plasma par le champ magnétique les entourant. Un point zéro de^0existe près de chaque champ de courant radial pour chaque valeur de r., Le lieu de ces points forme une ligne sortant de la machine et le long de laquelle le plasma 30 peut être perdu. Bien que la description qui précède concerne plusieurs modes de mise en oeuvre et plusieurs exemples spécifiques de -j-réacteurs existant et de réacteurs nouveaux à plasmas toroadau* et linéaires, il doit être noté que lés différents systèmes de 35 réacteurs décrits peuvent être utilisés seuls ou en combinaisons les uns avec les autres et avec- des systèmes de- chauffage à lasers à grande longueur d'onde selon l'invention. Ainsi, les miroirs magnétiques et les formes multipolaires décrits peuvent 72 11607 36 2132370 être utilisés pour n'importe lesquels des modes de réalisation toroïdaux ou linéaires décrits. De même, l'instabilité paramétrique décrite peut être utilisée pour n'importe lequel des systèmes décrits. De même, les caractéristiques de température 5 et de densité, uniformes ou graduées, décrites, peuvent être utilisées pour n'importe lesquels des modes de réalisation décrits, seules ou en combinaison avec n'importe lesquels des systèmés décrits de confinement magnétique, de stabilisation par réaction et/ou de stabilisation dynamique et/ou de systèmes de 10 chauffage auxiliaire et/ou de dopage décrits ci-dessus. L'invention a l'avantage d'utiliser un système à laser à grande longueur d'onde pour chauffer à des températures élevées un plasma de densité relativement faible. Par suite, l'invention a l'avantage de permettre le chauffage de plasmas confinés 15 magnétiquement pour lesquels des réacteurs thermonucléaires commandés existant déjà ont été utilisés. Par exemple, suivant un mode de réalisation, l'invention a l'avantage de permettre le chauffage de plasmas toroïdaux confinés magnétiquement tels que ceux trouvés dans les stellarators, les tokamaks, les 20 spherators, etc., par passage répété de la lumière du laser à grande longueur d'onde selon l'invention à travers le plasma en étages successifs. De même, l'invention utilise aussi la lumière d'un laser à grande longueur d'onde pour chauffer des plasmas trouvés dans des miroirs magnétiques et des multiplies à la fois 25 toroïdaux et linéaires. Sous ce rapport aussi, l'invention a l'avantage de permettre le ehauffage d'une grande variété de plasmas linéaires existant déjà, ainsi que les nouveaux plasmas produits selon-l'invention dans de nouveaux réacteurs. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi-30 tàtive et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 72 11607 37 2132370 REVENDICATIONS 1. Procédé pour chauffer un plasma par la lumière d'un laser, caractérisé par l'interaction d'un faisceau de lumière de laser ayant une longueur d'onde supérieure à 10 microns avec un *1Q 'A 5 plasma de densité inférieure à environ 10"~ particules/cm^ confiné dans un champ magnétique. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le dopage du plasma avec un élément ayant un numéro atomique au moins égal à celui de l'hélium. 10 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température du plasma est au moins de 100 eV. 4. Procédé selon l'rne quelconque des revend', es ferons 1 à caractérisé en ce que la fréquence de la lumière eu faisceau du laser est au moins égale à la fréquence du plasma. 15 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4- caractérisé en ce que le faisceau de lumière au laser est absorbé dans le plasma par des instabilités paramétriques provoquées dans le plasma par le faisceau de lumière du laser. 6. Réacteur thermonucléaire commandé, caractérisé par une 20 enceinte à vide, tin dispositif pour envoyer un plasma de densité relativement faible dans cette enceinte, un dispositif pour confiner magnétiquement le plasma le long d'un axe de l'enceinte, et un dispositif à lase* à grande longueur d'onde pour produire un faisceau de lumière de laser à grande longueur d'onde pour 25 chauffer le plasma à des températures élevées pendant que le plasma est confiné par le dispositif de confinement magnétique du plasma. 7. Réacteur selon la revendication 6 caractérisé en ce que le dispositif à laser comporte des miroirs pour transmettre le 30 faisceau de lumière du laser en étages successifs pour l'interaction répétée du faisceau avec le pla.--.2aa confiné magnétiquement dans le réacteur. 8. Réacteur selon la revendication ?, caractérisé en ce que les miroirs ont une réflectance d'au moins 99%. 35 9- Réacteur selon l'une quelconque des revendications & à «, caractérisé en ce que le réacteur est un réacteur toroîdal,le dispositif pour confiner magnétiquement le plasma établit un champ magnétique pour confiner un plasma toroîdal dans le réacteur et le dispositif B*D ORIGINAL 72 11607 2132370 à laser comporte un laser à CÇ>2 et des miroirs pour provoquer l'interaction répétée du faisceau de lumière du laser avec le plasma toroîdal. •10. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 5 9» caractérisé en ce que le dispositif pour confiner magnétiquement le plasma confine le plasma dans une configuration à champ B moyen minimal établi par des quadripôles périodiques pour focaliser le plasma, et le dispositif à laser produit un faisceau de lumière de laser interagissant avec le plasma le 10 long de l'axe de celui-ci aux foyers produits par les quadripôles périodiques. 11. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 10 caractérisé en ce que le dispositif pour confiner magnétiquement le plasma comporte des miroirs magnétiques et le dispo- 15 sitif à laser produit un faisceau de lumière de laser interagissant avec le plasma le long de l'axe de celui-ci au point milieu entre les miroirs magnétiques. 12. Réacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réacteur est un réacteur toroîdal à vide ayant un axe 20 sans fin, le dispositif pour fournir le plasma étant une source de gaz DT avec un dispositif pour chauffer le gaz pour produire un plasma d'au moins 100 eV, le dispositif pour confiner magnétiquement le plasma établissant un champ magnétique toroîdal B moyen minimal formant des miroirs périodiques dans le réacteur 25 et le dispositif à laser comportant un laser à C0o et des mi-roirs refroidis cryogéniquement pour l'interaction répétée du faisceau de lumière de laser avec le plasma confiné toroïdale-ment. 13. Réacteur selon l*une quelconque des revendications 6 30 à 12 caractérisé par un dispositif pour ajouter un dopant au plasma. 14." Réacteur thermonucléaire commandé comprenant une enceinte à vide linéaire, un dispositif pour envoyer un plasma dans cette enceinte et un dispositif pour confiner magnétiquement le 35 plasma le long d'un axe d'équilibre dans l'enceinte, caractérisé par un dispositif pour envoyer une lumière de laser à grande longueur d'onde le long de cet axe pour chauffer le plasma à des températures élevées. 72 11607 39 2132370 15- Réacteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif pour confiner magnétiquement le plasma forme des miroirs magnétiques périodiques autour du plasma chauffé le long de l'axe pour empêcher l'écoulement axial, les miroirs 5 étant espacés d'un libre parcours moyen. 16. Réacteur selon la revendication i5 caractérisé en ce que les miroirs magnétiques pour confiner magnétiquement le plasma sont produits par un champ de quadripôles périodiques autour du plasma chauffé le long de l'axe pour assurer la sta- 10 bilité. 17. Réacteur selon la revendication 14 caractérisé en ce que l'enceinte à vide comporte une paroi intérieure épaisse pour confiner le plasma chaud. 18. Réacteur selon la revendication 1-V caractérisé par 15 un dispositif pour envoyer gaz relativement froid entre la paroi de l'enceinte et le plasma confiné magnétiquement à haute température. 19. Réacteur selon la revendication 14- caractérisé en ce que le dispositif pour envoyer le plasma dans l'enceinte comporte 20 un dispositif pour préchauffer le plasma confiné magnétiquement pour augmenter le chauffage du plasma par le dispositif à laser. 20. Réacteur selon la revendication 14 caractérisé par un dispositif pour doper le plasma avec au moins un élément ayant un numéro atomique supérieur à celui de l'hydrogène. 25 21. Procédé pour chauffer un plasma caractérisé par la formation le long d'un axe d'équilibre linéaire d'un plasma confi- 19 5 né magnétiquement ayant une densité Jusqu'à 10 J particules/cnr et une température d'au moins 100 eV, et par le chauffage de ce plasma au moyen d'un laser à grande longueur d'onde produisant 30 une lumière d'une longueur d'onde d'au moins 10 microns pour chauffer le plasma à des températures élevées. 22. Procédé selon la revendication 21 caractérisé par le * dopage du plasma, avant son chauffage, avec un élément à numéro atomique élevé choisi dans le groupe constitué par : 23. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que la longueur d'onde est de 10,6 microns. 24. Procédé selon la revendication 21 caractérisé en ce que la fréquence du laser est au moins égale à la fréquence du plasma. 72 11607 25- Procédé selon la revendication 21 caractérisé en ce que le plasma a une densité croissant vers l'extérieur à partir de l'axe contenu dans un récipient à vide cylindrique à paroi pleine. 5 26, Procédé selon la revendication 25 caractérisé par l'introduction d'un gaz de refroidissement autour d'au moins une partie du plasma entre 1'axe et le récipient, 27« Procédé pour le confinement d'un plasma caractérisé par le confinement du plasma par un champ magnétique 0 produit 10 par un conducteur de courant central. 28. Procédé selon la revendication 27 caractérisé par l'utilisation d'un laser à grande longueur d'onde. 29. Procédé selon la revendication 28 caractérisé par la stabilisation du plasma au moyen d'un plasma ayant des gradients 15 prescrits de température et de densité. 30. Procédé pour utiliser des plasmas produits par un laser à grande longueur d'onde, caractérisé par la production d'ions hautement ionisés pour des utilisations scientifiques et industrielles.