Brevet FR2569516A1 — publié le 19860228

La présente invention a trait au chauffage de plasma dans l'intervalle de fréquences de cyclotron ionique (chauf- fage ICRF) avec faible production d'impuretés. Plus particu- lièrement elle a trait à l'application d'un lanceur ICRF pour l'obtention d'un chauffage minimum au bord du plasma. Les dispositifs à plasma, tels que ceux destinés à des dispositifs de fusion, exigent des plasmas à haute tempéra- ture, c'est-à-dire des plasmas comportant des ions se dépla- çant à des vitesses relativement élevées. Pour atteindre ces vitesses élevées, il faut communiquer de l'énergie aux ions. L'une de ces méthodes pour la communication d'énergie est le chauffage ICRF d'ions confinés dans le plasma. Selon cette méthode, on applique de l'énergie à haute fréquence (HF) à une fréquence à laquelle les ions entrent en résonance et prélèvent de l'énergie sur les ondes HF appliquées. Dans les dispositifs à plasma toroIdaux, les ions du plasma sont contraints par des champs magnétiques de se dé- placer suivant des orbites toroldales, ce qui assure leur confinement. Dans de tels dispositifs, on engendre un champ magnétique toroldal dans lequel les ions du plasma suivent les lignes de flux magnétique autour du tore. Les lignes de flux magnétique sont tordues pour établir des conditions équilibrées mais, en général, les ions se meuvent en hélice autour des lignes de flux avec des périodes caractéristiques dépendant de l'intensité du champ magnétique ainsi que de la masse et de la charge des ions. On peut supposer que la mas- se et la charge de l'espèce d'ions considérée demeurent cons- tantes; toutefois, une caractéristique des champs magnéti- ques toroldaux réside en ce que l'intensité de champ magné- tique est plus grande vers le grand axe du tore. Ceci a pour conséquence que les périodes des ions varient selon la dis- tance radiale à ce grand axe; par conséquent, la fréquence de résonance des ions, ou fréquence de cyclotron ionique, varie radialement. Il en découle l'apparition, autour du grand axe, de surfaces sensiblement en forme de cylindres circulaires sur lesquelles les ions ont une même fréquence de cyclotron ionique respective. Ces surfaces sont connues sous le nom de surfaces de résonance. En chauffage ICRF, on applique de l'énergie à une telle haute fréquence, usuellement fréquence pour laquelle la sur- face de résonance de la fréquence de cyclotron ionique cor- respondante coupe la plupart des surfaces de flux, une sur- face de flux étant une surface d'amplitude uniforme de flux magnétique. L'énergie de l'onde HF est sélectivement absor- bée par les ions du plasma situés sur la surface correspon- dant à cette fréquence. Ici, la vitesse de phase décalée par effet Doppler de l'onde HF devient nulle; voir, par exemple, T.H. Stix, The Theory of Plasma Waves, page 162 (McGraw-Hill, New-York, 1962). Des fréquences types pour les ions intéressants sont de 25 à 60 MHz. Une difficulté qu'a soulevée un tel chauffage ICRF est que la teneur du plasma en ions étrangers augmente énormé- ment pour les fortes puissances de chauffage ICRF. Voir J. Hosea et al., PLT Ion Cyclotron Range of Frequencies Heating Program, article présenté au 4ème Symposium Interna- tional Mixte de Varenne-Grenoble sur le Chauffage en Plasmas Toroldaux (Rome, mars 1984) et K. Odajima et al., Essai de Chauffage ICRF en Second Harmonique dans le JFT-2M Tokamak, ibid. La présente invention repose sur la prise de conscien- ce que la multiplication des impuretés lors du chauffage ICRF antérieur & grande puissance était due aux ions à hau- te énergie présente sur la surface extérieure du plasma heurtant les diaphragmes définissant cette surface extérieu- re ou heurtant la paroi du dispositif. Les ions chauds in- teragissent avec les diaphragmes ou la paroi et engendrent des ions étrangers par désagrégation. Ces ions de haute éner- #ie étaient produits par le chauffage ICRF d'ions présents à l'intersection de la surface de résonance respective et de la surface extérieure du plasma définie par les diaphrag- mes. On pourrait déplacer les diaphragmes vers l'intérieur pour supprimer ces zones chauffées, mais il en découlerait simplement le déplacement vers l'intérieur de l'intersection entre la surface de résonance et la surface extérieure du flux; les ions chauffés à l'intersection heurteraient enco- re les diaphragmes. Selon la présente invention, l'énergie HF est appliquée par des lanceurs (antennes) en un motif d'interférence tel que l'énergie HF est nulle aux intersections entre la surfa- ce de résonance respective et la surface extérieure (limi- tée) du flux. Le chauffage des ions n'est ainsi pratiquement assuré que dans la région centrale du plasma, espacée des diaphragmes et de la paroi. On obtient ce résultat en appli- quant en des emplacements espacés des ondes HF correspondant à la même fréquence de cyclotron ionique respective en des phases qui provoquent une annulation auxdites intersections. L'énergie HF peut provenir d'éléments lanceurs HF discrets (antennes discrètes) ou d'un lanceur composite. Un but principal de la présente invention est donc d'as- surer un chauffage ICRF de plasma moyennant une génération relativement faible d'impuretés. Un autre but est de réali- ser des lanceurs HF pour le chauffage d'un tel plasma au ni- veau d'une surface de résonance correspondante de celui-ci. Un autre but est de réaliser de tels lanceurs à motif de rayonnement tel que l'interférence entre les ondes HF éma- nant des divers lanceurs provoque des annulations aux inter- sections entre la surface de résonance respective et la sur- face extérieure du plasma. D'autres aspects, buts et avanta- ges de la présente invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-dessous en se référant aux dessins anne- xés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe droite axiale d'un dispositif à plasma toroldal utilisant un chauffage ICRF selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe droite axiale simpli- fiée d'un plasma toroldal et de lanceurs ICRF destinés à le chauffer selon la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe axiale grossie, par- tiellement schématique, du dispositif représenté sur la fi- gure 1; et la figure 4 est une vue des lanceurs représentés sur la figure 3 observés radialement vers l'extérieur. La figure 1 représente à titre d'exemple un dispositif & plasma toroidal type comportant application d'un chauffa- ge ICRF selon la présente invention. De tels dispositifs à plasma: toroldaux ont été mis au point pour des dispositifs de fusion. Ces dispositifs comportent un récipient 10 pour le confinement de gaz qu'on ionise pour former le plasma 12. Le récipient 10 et le plasma 12 sont toroldaux, présentant un grand axe 14 et un petit axe 16. Ils présentent pratique- ment une symétrie de révolution autour du grand axe 14. Une bobine de champ torodale 18 est enroulée sous for- me torocdale autour du récipient 10 et reçoit de l'énergie électrique d'une source d'alimentation non représentée pour engendrer un champ magnétique toroldal qui s'infiltre dans le récipient 10 et s'étend suivant le petit axe 16. Une bo- bine de solénoïde 20 est disposée autour du grand axe 14 au centre du récipient 10 et est alimentée en énergie à partir d'une source d'alimentation non représentée pour établir un champ électrique à l'intérieur du récipient 10, dans lequel le gaz fait office de secondaire de transformateur. Ce champ électrique ionise le gaz pour former le plasma 12 et met en mouvement les ions du plasma. Le courant présent dans ledit secondaire assure le chauffage par résistance du plasma et engendre un champ magnétique poloidal autour du petit axe 16. Des bobines de champ supplémentaires 22 agissent conjoin- tement avec la bobine de solénoïde 20 pour engendrer des champs magnétiques d'équilibre appropriés. En combinaison, les divers champs magnétiques établissent un certain nombre de surfaces de flux magnétique fermées et emboîtées 24.Les ions du plasma sont contraints par le champ net de se dépla- cer dans l'ensemble suivant ces surfaces et sont confinés par elles. Le volume du plasma est défini par des diaphrag- mes 26 qui agissent pour arrêter les ions en cours de dépla- cement sur des surfaces de flux menant aux diaphragmes. La dernière surface non soumise aux diaphragmes 26 est une sur- face de flux extérieure 24A définissant la limite extérieure du plasma 12. Le dispositif tel que décrit jusqu'à présent est-repré- sentatif d'un certain nombre de dispositifs à plasma toroi- daux. Conformément à la présente invention, un ensemble par- ticulier de lanceurs ICRF 28 est prévu à l'intérieur du ré- cipient 10 pour chauffer le plasma 12 moyennant un minimum de chauffage du plasma situé dans la région de la surface de flux extérieure 24A. L'ensemble de lanceurs est alimenté en énergie HF à partir d'une source 32 et ra-onne de l'éner- gie HF jusqu'à l'intérieur du plasma 12. L'ensemble de lan- ceurs 28 est conçu pour établir un motif d'interférence ar- nulant le champ HF dans une certaine région de la surface de flux extérieure 24A. Comme indiqué plus haut, il existe pour chaque fréquence une surface de résonance. Les différentes surfaces de résonance résultent de ce que le champ magnéti- que diminue d'intensité en allant du grand axe 14 vers l'ex- térieur. Pour le dispositif particulier représenté à titre d'exemple sur la figure 1, il existe, pour la fréquence par- ticulière de l'ensemble de lanceurs 28, une surface de réso- nance 30 qui coupe la surface de flux extérieure 24A sur des cercles F et F' (indiqués en coupe droite par des points respectifs). Afin d'illustrer les concepts sur lesquels est basée l'invention, on va se référer au système simplifié représen- té sur la figure 2. Comme représenté sur celle-ci, l'ensem- ble de lanceurs ICRF 28 est formé de trois lanceurs (anten- nes discrètes) 28a, 28b et 28c disposées symétriquement par rapport au plan équatorial x = 0. La longueur d'onde de I'ICRF est très supérieure à la dimension en coupe du plasma 12 et l'on peut supposer que la distribution de champ est celle d'un champ à courant continu. La tension vectorielle est donnée par t- I (1) 4lr ou est la longueur du lanceur, I l'intensité du lanceur, Il la perméabilité du vide et r, la distance entre le point d'observation et l'emplacement du lanceur, r étant très su- périeur à e. Comme représenté sur la figure 2, un lanceur 28a occupe l'emplacement x = 0, y = 0, z = O et un autre lanceur 28b, l'emplacement x = a, y = 0, z = 0, les deux lanceurs ayant la même longueur. La tension vectorielle combinée est donnée par A = 1 2 1/ -2 (2) A =r = 4 (x2 + y2 + z2)1/2 [(x-a)2 + y + z2] /2 o I est le courant du lanceur 23A et -I2, le courant du lanceur 28bo La surface oû A = 0 peut être déterminée par algèbre simple: 2 2 2 2 a(1/1i2) 2 2 a (11/I2) x - + y + z = (3) (1/12) -[( 1/12)2_1]2 102 2 Si I! > I2 la surface est une sphère de rayon a(I1/I2) f(I1/I2)2 - 1] -1, dont le centre est à l'emplace- ment x = a(Il/I2) [(I1/I2) 1 Y = 0, z 0. Sur la surface de la sphère, le champ électrique dû à l'onde HF, E = i03A, o w est la fréquence en radians, devient nul en raison de l'interférence entre les ondes émanant des deux sources 28a et 28b. La surface de résonance 30 (y = Y0) et la surface de flux extérieure 24A se coupent en x = x0. La condition de tangence de la surface sphérique à la surface de résonance à l'emplacement x = x0 est donnée par I1/I2 = Xo/yo (4) a (I!/I2) -1]xo (5) (IX/X2)2 Dans ce cas, le champ magnétique dû à l'onde HF, B =SA/Sx devient aussi nul. L'énergie HF, donnée par le produit de E et de B, se trouve par conséquent réduite près des cercles de résonance, F et F'. L'équation (4) illustre un avantage offert par cette conception quand le plasma est à section non circulaire. x0 est sensiblement la demi-hauteur du plasma et y0 en est la demi-largeur. L'élongation Kest par définition K= x0/y0. L'énergie nécessaire dans le lanceur de compensation est 2 2 proportionnelle à I = (I1/K). Donc, l'énergie nécessaire dans le lanceur de compensation 28b diminue proportionnelle- mient à 1/K2. L'analyse ci-dessus repose sur l'hypothèse que r est beaucoup plus grand que î. Parce que r r1-rI (petit rayon du plasma) et qu'on peut considérer la longueur de lanceur - comme inférieure à r1, les résultats ci-dessus sont appr-xi- mativement corrects. 5. Parce qu'il existe deux intersections entre la surface de flux 24A et la surface de résonance 30, on place en x = -a un autre lanceur à intensité -I2, comme représenté sur la figure 2. Dans ce cas, la tension vectorielle est donnée par: 1 A = = _ i/t (x 2 + y2 + z2)1/2 I2/Il I2/I (6) [(x-a)2 + y2 + z2]1/2 [(x+a)2 + y2 + z] 1/2 On peut poser A = O et&A/&x = O à l'emplacement x = xO, y = yO et z = O. Le résultat précédent, équations (4) et (5), est applicable approximativement parce que la contribu- tion du lanceur le plus distant est relativement faible. Tandis que les conditions satisfaisant à A =JA/fx = 0 juste sur les cercles de résonance F et F' se trouvent éta- blies, les champs HF nets sont aussi considérablement ré- duits dans le voisinage de ces points. La largeur de la ré- gion d'annulation relative suivant l'axe des z est en gros Xoe Attendu que l'énergie de chauffage est proportionnelle au carré de la tension vectorielle, le chauffage au bord est grandement réduit. Le plasma étant conducteur de courant, la distribution de champ se trouve modifiée. De plus, on peut tenir compte du diélectrique du plasma pour affiner l'équation. Toute- fois, étant donné que les grandeurs et emplacements exacts des divers lanceurs ne sont pas absolument critiques et que les fréquences, phases et grandeurs de courant peuvent être ajustées après mise en place, on peut déterminer de manière empirique le fonctionnement final du système suivant les préceptes de l'invention à peu près conformément aux équa- tions générales indiquées ci-dessus. On peut aussi ajuster empiriquement la distance finale x0. De toute façon, on peut concevoir des lanceurs 28a, 28b et 28c, les mettre en place et les alimenter en énergie HF d'intensité et de phase vou- lues pour établir des motifs d'interférence tels que l'éner- gie nette absorbée au niveau de la surface de flux 24A soit sensiblement nulle sur une aire importante, ce qui réduit le chauffage ICRF du bord du plasma. La figure 3 illustre un mode de réalisation préféré de l'invention selon lequel l'ensemble de lanceurs 28 est un ensemble composite de trois lanceurs 28d, 28e et 28f, c'est- à-dire une antenne composite. Le lanceur central 28d est alimenté en énergie à partir d'une source HF appropriée 32 du type push-pull à mise à la terre médiane par l'intermé- diaire de conducteurs de courant 34 et 36, qui peuvent être des cables coaxiaux. Les lanceurs de compensation 28e et 28f sont alimentés en énergie à partir de la même source 32 par la voie d'éléments d'accord réactifs respectifs 38 et et de plots d'accord court-circuités 42 et 44 qui ajus- tent l'amplitude et la phase des courants 12 passant dans les lanceurs 28e et 28f par rapport au courant I1 passant dans le lanceur 28e. Des conducteurs de courant 46 et 48, qui peuvent être des câbles coaxiaux, peuvent servir à re- lier les éléments d'accord aux lanceurs respectifs. Bien qu'on ait illustré certaines réalisations préfé- rées particulières de la présente invention, on pourra ap- porter à celles-ci diverses modifications rentrant dans le cadre de l'invention. Par exemple, le diaphragme 26 est re- présenté placé sur le bord intérieur du plasma, mais ceci seulement pour faciliter la représentation: en pratique, les diaphragmes sont généralement placés sur le bord exté. rieur du plasma. L'ensemble de lanceurs 28 peut prendre un certain nom- bre de formes. Sa configuration peut être sensiblement tel- le qu'indiquée sur les figures 3 et 4. D'autre part, l'en- semble peut être de forme voulue pour être plus étendu sui- vant le pourtour du tore et étendre par là la région d'annu- lation relative. On peut utiliser plusieurs ensembles de lanceurs 28, de préférence équidistants autour du grand axe 14. En général l'ensemble est plus court que le petit diamè- tre du plasma, mais du même ordre de grandeur. Les longueurs des lanceurs individuels 28a, 28b, 28c, 28d, 28e et 28f doivent être en rapport tel avec le petit rayon du plasma et établir des fréquences de résonance telles qu'il existe une interférence dans le champ proche faisant apparaître une région d'annulation relative s'étendant sur des parties no- tables des intersections de la surface de résonance corres- pondante 30 et de la surface extérieure 24A du plasma, par exemple sur une longueur angulaire de tore de 30 . On peut rendre l'ensemble de lanceurs 28 directionnel afin de confi- ner le rayonnement sur la partie du plasma sur laquelle ap- paraît la région d'annulation et d'éviter ainsi de chauffer l'intersection de la surface de résonance 30 et de la surfa- ce extérieure 24A du plasma à l'extérieur de cette région. L'énergie HF ne franchit pas le grand axe du tore, étant arrêtée par la paroi du récipient 10. On peut modifier les phases relatives ainsi que les positions relatives des lan- ceurs pour placer le motif d'interférence dans une position optimale. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage de plasma dans la gamme de fréquences de cyclotron ionique comportant des ions de plas- ma confinés magnétiquement par un champ magnétique, dans le- quel le plasma présente une surface extérieure définie (24A) coupée par des surfaces de résonance (30) de fréquences de cyclotron ionique communes respectives d'une espèce détermi- née d'ions du plasma en mouvement dans ledit champ magnéti- que, caractérisé en ce qu'il comprend une source haute fré- quence pour la fourniture de haute fréquence à une haute fréquence correspondant à la fréquence de cyclotron ionique d'une espèce déterminée d'ions du plasma en mouvement dans ledit champ au niveau de la surface de résonance respective, et des moyens de lancement (28) couplés à ladite source hau- te fréquence pour rayonner de l'énergie haute fréquence à ladite haute fréquence jusque sur ladite surface de résonan- ce respective à l'intérieur du plasma à partir d'une série d'endroits situés à l'extérieur du plasma à des distances respectives telles des intersections entre ladite surface de résonance respective (30) et ladite surface extérieure définie (24A) et à des phases relatives telles que le motif d'interférence résultant établit, dans des régions proches et comportant des parties notables desdites intersections, une énergie haute fréquence nette sensiblement nulle par rapport à l'énergie haute fréquence qu'ils établissent en d'autres parties de ladite surface derésonance respective à l'intérieur du plasma. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit plasma est toroldal, présentant un grand axe (14) et un petit axe (16) qui définissent un plan équatorial et est confiné dans un récipient toroidal par un champ magné- tique dont l'intensité décroît radialement vers l'extérieur à partir dudit grand axe pour l'établissement desdites sur- faces de résonance respectives coupant ladite surface exté- rieure définie sensiblement sur deux cercles (F,F') et en ce que lesdits moyens de lancement (28) comprennent un premier lanceur (28a,28d) disposé dans ledit récipient sensiblement dans le plan équatorial dudit plasma toro!dal et deux lan- il ceurs de compensation (28b,28c;28e,28f) disposés dans ledit récipient symétriquement de part et d'autre dudit plan équa- torial, les emplacements respectifs desdits lanceurs par rap- port auxdits cercles et les phases relatives de l'énergie haute fréquence qu'ils émettent fournissant un motif d'inter- férence qui établit une énergie haute fréquence nette sensi- blement nulle sur une partie notable de chacun desdits cer- cles, cette partie étant celle la plus proche desdits lan- ceurs 3. Procédé pour le chauffage dans la gamme de fréquen- ces de cyclotron ionique de plasma comportant des ions de plasma confinés magnétiquement par un champ magnétique, sui- vant lequel le plasma présente une surface extérieure défi- nie et est coupé par des surfaces respectives de résonance à la fréquence de cyclotron ionique commune d'une espèce dé- terminée d'ions du plasma en mouvement dans ledit champ ma- gnétique, caractérisé en ce qu'on prévoit de l'énergie hau- te fréquence à une haute fréquence correspondant à la fré- quence de cyclotron ionique de ladite espèce déterminée d'ions du plasma en mouvement dans ledit champ au niveau de ladite surface de résonance respective, et l'on rayonne cet- te énergie haute fréquence à ladite haute fréquence jusque sur ladite surface de résonance respective à l'intérieur du dit plasma à partir d'une série d'endroits situés à l'exté- rieur du plasma à des distances respectives telles des in- tersections entre ladite surface de résonance respective et ladite surface extérieure définie et à des phases relatives telles que le motif d'interférence résultant établit, dans des régions proches et comportant des parties notables des dites intersections, une énergie haute fréquence nette sen- siblement nulle par rapport à l'énergie haute fréquence qu' il établit en d'autres parties de ladite surface de résonan- ce respective à l'intérieur du plasma. 4. Procédé de chauffage dans la gamme de fréquences de cyclotron ionique de plasma, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à engendrer un plasma comportant des ions de plasma, à faire confiner magnétiquement ce plas- ma par un champ magnétique, le plasma présentant une surface extérieure définie et étant coupé par des surfaces respecti- ves de résonance à la fréquence de cyclotron ionique commu- ne d'une espèce déterminée d'ions du plasma en mouvement dans ledit champ magnétique, à prévoir de l'énergie haute fréquence à une haute fréquence correspondant à la fréquen- ce de cyclotron ionique de ladite espèce déterminée d'ions du plasma en mouvement dans ledit champ au niveau de la sur- face de résonance respective, et A rayonner cette énergie haute fréquence à ladite haute fréquence jusque sur ladite surface de résonance respective à l'intérieur du plasma à partir d'une série d'endroits situés à l'intérieur du plas- ma à des distances respectives telles des intersections en- tre ladite surface de résonance respective et ladite surfa- ce extérieure définie et à des phases relatives telles que le motif d'interférence résultant établit,sur des régions proches et comportant des parties notables desdites inter- sections, une énergie haute fréquence nette sensiblement nulle par rapport à l'énergie haute fréquence qu'il établit en d'autres parties de ladite surface de résonance respec- tive à l'intérieur du plasma.