Brevet FR2365929A1 — publié le 19780421

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de chauffage d'un plasma de type t-oroldal. On sait que les espoirs fondés sur la fusion contrôlée reposent en partie sur la réalisation de plasmas toroïdaux chauffés. Dans ces plasmas toroïdaux le plasma qui est confiné à l'intérieur de l'enceinte torique par confinement magnétique doit être chauffé pour que les ions puissent se combiner pour donner d'autres noyaux et libérer de l'énergie. Une donnée importante concernant le chauffage des plasmas est qu'il est avantageux de chauffer directement les ions puisque si on chauffe les électrons, comme les échanges d'énergie entre électrons et ions sont lents, le plasma risque de stéchapper de la zone de confine- ment avant que les ions soient portés à une température suffisante pour qu'ils aient une énergie cinétique moyenne favorable aux réactions de fusion. La présente invention concerne une nouvelle méthode de chauffage des ions. On sait que dans les dispositifs toroidaux du type "Tokamak" les ions sont chauffés par induction ohmique, le plasma à l'intérieur du tore jouant le r8le de secondaire d'un transformateur. Mais les températures nécessaires à des réactions de fusion ne peuvent être obtenues à partir du chauffage par induction ohmique seulement. Il a été proposé un ensemble de moyens de chauffage supplémentaise utilisant l'absorption d'ondes électromagnétiques, ces ondes ayant des fréquences soit au-dessus de 100 KHz tel que le chauffage haute fréquence non collisionnel désigné dans la littérature anglaise par "T.T.M.P." (pompage magnétique sur temps de transit), le c-hauffage par excitation résonnante de l'onde cyclotronique ionique, le chauffage par excitation de ltonde hybride inférieure etc., soit au-dessous de quelques dizaines d'Hertz telle l'absorption par gyrorelaxation. Les fréquences idéales de chauffage sont les basses frXquences. La gyrorelaxation et la compression adiabatique à très basse fréquence ne peuvent apporter la solution souhaitée car le rendement énergétique (puissance absorbe par le plasma/ puissance dépensée) est trop défavorable. Les chauffages par ondes électromagnétiques de fréquences comprises entre 100 KHznecessitent l'emploi de bobines créant les ondes à proximité immédiate du plasma c'est-à-dire situées dans la chambre où est créé-le plasma car la longueur de pénetration dans des parois métalliques est très faible à ces fréquences. Ainsi l'enceinte torique où se trouve le plasma constitue un écran imperméable à ces ondes. On ne peut donc disposer les bobines à l'extérieur de cette enceinte. Les problèmes inhérents aux fortes températures, au maintien sous vide de l'enceinte et au danger d'empoisonnement du plasma par des impuretés font que l'insertion de bobines ou de guides d'onde à l'intérieur de l'enceinte torique est un problème délicat. Le procédé selon l'invention utilise des fréquences de l'ordre du KHz, domaine particulièrement avantageux. Le procédé de chauffage du plasma selon l'invention, qui s'applique à des plasmas de type toroïdal dans lesquels existe un champ magnétique vertical parallèle à l'axe Oz de symétrie du tore où est contenu le plasma, consiste à moduler ledit champ magnétique vertical (parallèle à l'axe Oz) à une fréquence X et un nombre d'ondes k de façon à ce que légalité X = kVD soit sensiblement respectée. Dans cette égalité,Vg est la vitesse de dérive des ions du plasma,, vitesse mesurée selon l'axe Oz du tore. L'invention concerne également un dispositif d'application du procédé de chauffage selon l'invention. Il est important de noter que la dissipation de l'énergie entrainant le chauffage du plasma n'est pas due aux collisions entre constituants du plasma mais à un effet du type "LANDAU" bien connu de l'homme de l'art dans le domaine des plasmas, résultant de l'interaction onde-particule lorsque la vitesse de dérive des ions est égale à la vitesse de phase des ondes envoyées dans le plasma ; cette condition est exprimée par la relation w kVD. Les avantages des fréquences de tordre du KHz fréquences utilisées dans le procédé selon l'invention,sont les suivants - les longueurs de pénétration où p0 est la perméabilité magnétique du vide,sla conductivité du métal et W la fréquence dans le métal constituant habituellement les parois de l'enceinte toroïdale, sont très supérieures aux épaisseurs envisagées pour les parois des enceintes toroïdales actuelles, tout comme celles des parois des futurs réacteurs ; ainsi les bobines d'émission d'ondes électromagnétiques à ces fréquences peuvent être disposées sans perte importante d'énergie à l'extérieur du tore de confinement, les parois de ce tore étant transparentes à ces ondes, et même autour des bobines créant le champ magnétique toroldal principal, - les basses fréquences peuvent être obtenues à partir de générateurs du type alternateur multipolaire, donc à bas prix, même au niveau de plusieurs dizaines de MWatt, ces puissances de chauffage sont appliquées à partir d'enroulements parcourus par des courants décrits plus loin et extérieurs à la chambre à vide ; comme ces enroulements sont axisymétriques les efforts électromécaniques sont réduits, - l'énergie du champ électromagnétique est transférée au plasma directement sur les ions qui sont les particules utiles à chauffer, - on peut choisir et varier la fréquence des ondes de chauffage en fonction du temps pour s'adapter aux variations de la vitesse de dérive des ions. De plus le dispositif selon l'invention permet une modulation du champ magnétique à des valeurs relativement faibles, de l'ordre de 10 % ou moins. Dans l'art antérieur d'autres types de- chauffage utilisent également une modulation du champ magnétique vertical axisymétrique. Un premier type de chauffage est la compression adiaba tique proposée par la L. ARTSIMOVITCH (Nuclear Fusion 12 lui972) 215),hop FURTH et R.A. ELLIS (Plasma Physics 15 (1973) 719) elle est obtenue en modulant, dans le temps seulement et non dans l'espace la composante verticale du champ magntique. Cette modulation n'utilise aucune résonance, est de fréquence très basse par rapport aux fréquences utilisées dans l'invention, et pour avoir un taux de chauffage efficace, nécessite un taux de modulation de l'ordre de l'unité ; ce taux élevé de modulation incompatible avec la stabilité du plasma est de plus énergiquement non réaliste. Dans le deuxième type de chauffage proposé parA. SAMAIN et F. KOECHLIN (Plasma Physics 14 (1972) 349), on utilise un pompage magnétique axisymétrique, la fréquence de modulation du champ magnétique étant déterminée par la relation (rl k//(Vth) ion, ,ionisue (Vth) ion étant la vitesse thermique moyenne et k le nombre d'onde parallèle au champ magnétique statique. A la différence de ce qui se passe dans l'invention,l'in teraction onde-particule a lieu pour une vitesse de phase des ondes égale à la vitesse thermique des ions et non pas à la vitesse de dérive de ces mêmes ions. Ceci suppose une modulation à des fréquences de l'ordre de la centaine de KHz ou plus et on se retrouve dans l'obligation d'insérer les bobines dans l'enceinte métallique du tore. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif, an référence à la figure annexée sur laquelle on a représenté une enceinte toroldale de confinement des plasmas avec des bobines de modulation du champ magnétique. Sur la figure annexée on a représenté en demi-coupe le tore 2 d'axe de symétrie Oz et les différentes bobines d'elimen tation telles que 4, 6, 8 etc. reliées à une alimentation convenable 10 pour exciter les composantes magnétiques Sz parallèles à l'axe Oz et Br suivant la direction radiale. Ce champ magnétique peut être stationnaire ou de préférence progressif de la forme sin (w - kz), Ceci suppose que les divers enroulements 4, 6, B etc. sont alimentés par des courants déphasés dans le temps en fonction de leur espacement vertical à partir d'un ou de plusieurs générateurs 10 à la mame fréquence ou à des fréquences extremement voisines. Ce type d'appareil déphaseur et de conception classique est bien connu de l'homme de l'art.Le nombre d'ondes k = X =7, est inversement proportionnel à la dimension verticale b d'un plasma supposé elliptique et situé à l'intérieur du tore en 12. Sur ce schéma les enroulements excitateurs sont parfaitement intégrés dans la structure d'un Tokamak, sont très peu dissipatifs aux fréquences envisagées et pourraient être à la limite supraconducteurs. Pour compenser le champ à l'extérieur du tore on peut utiliser une série de bobines 4', 6', 8' etc. qui annulent le champ magnétique créé par les enroulements 4, 6, 8 etc. à l'exté- rieur du tore. Le champ magnétique modulé à la fréquence X a pour effet de créer dans le tore à l'intérieur du plasma, un champ électrique induit de composantes Ez et Er non nulles selon l'axe vertical et le grand rayon du tore. Ces champs existent à l'intérieur du plasma 12 alors que le champ magnétique B est presque totalement exclu du plasma par effet de blindage.Le plasma se comporte vis-à-vis de la modulation magnétique comme un fluide supraconducteur piézo-électrique. Seule la composante Ez parallèle à l'axe Oz travaille. Dans la configuration magnétique toroïdale il existe une vitesse de dérive dirigée selon l'axe vertical du tore. Vt et V11 sont les composantes de la vitesse des ions normale et parallèle au champ magnétique axisymétrique, X ci la fréquence cyclotronique des ions et R la position radiale de l'ion considéré selon le grand rayon du tore. Par suite de ces dérives dans le champ tz créé par induction magnétique dans le plasma sous l'action de la modulation du champ ,l'ion reçoit une puissance égale au travail du champ électrique c'est-à-dire e. VD.Ez. L'interaction est résonnante si on choisit la fréquence d'oscillation du champ vertical telle queu = k VD. La dissipation de l'onde créant un effet de chauffage dans le plasma n'est pas due aux collisions mais à une résonance onde particule qui ressemble à un effet "LANDAU".Une expression simplifiée de la densité moyenne d'énergie absorbée par le plasma qui tient compte de la répartition spatiale des différents paramètres phy siques intervenant dans ce chauffage est la suivante (Pi) moyenne où nO = densité moyenne des ions T. w température ionique moyenne 1 't K 2t - b 2 2KT V t =(i), où K est la constante de floltzmam et mi mi la masse des ions B r = taux de modulation du champ magnétique -3 z A titre d'exemple le taux de modulation nécessaire pour doubler les températures obtenues par chauffage ohmique est de l'ordre de 10 à 30 % selon les caractéristiques du tore. Dans le cas d'un réacteur~de fusion un taux de modulation de quelque 1 % pour amorcer les réactions thermo-nucléaires serait suffisant. Ces taux de modulation sont suffisamment bas. REVENDICATIONS 1. Procédé de chauffage d'un plasma de type toroïdal dans lequel existe un champ magnétique vertical parallèle à l'axe Oz de symétrie du tore où est contenu le plasma, caractérisé en ce qu'on module ledit champ magnétique vertical à une fréquence w et un nombre d'ondes k de façon à ce que l'égalité U = kVD soit sensiblement respectée, V D étant la vitesse de dérive des ions du plasma mesurée selon l'axe Oz du tore. 2. Dispositif de chauffage d'un plasma de type toroidal comprenant une enceinte métallique toroldale d'axe de symétrie Oz à l'intérieur de laquelle existe un plasma caractérisé en ce qu on dispose à l'extérieur de ladite enceinte métallique toroidale des bobines parcourues par un courant circulant selon des cercles centrés sur l'axe du tore et perpendiculaires à l'axe de symétrie Oz du tore,ledit courant étant modulé à la fréquence U = kVD, où w est la fréquence de modulation, k le nombre d'ondes correspondant à l'onde de modulation créée dans le plasma et VD la vitesse de dérive des ions du plasma mesurée selon l'axe Oz du tore. 3. Dispositif de chauffage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence de modulation est de l'ordre de 1 KHz. 4. Dispositif de chauffage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de la composante modulée du champ magnétique radial à la composante verticale du champ magnétique, champs créés par le courant circulant dans les bobines, est compris entre 1 et 30 %.