FR 2525064 A1 19831014 FR 8305793 A 19830408 La présente invention concerne de façon générale les dispositifs à plasma et en particulier le confinement et la stabilisation de plasmas dans des dispositifs de fusion au moyen d'un puits magnétique moyen L'invention porte plus particulièrement sur la combinaison de la mise en forme de la section du plasma et de l'effet de striction du plasma avec un rapport de forme faible, pour la production d'un puits magnétique moyen dans une configuration de striction par champ inversé, de type toro Xdal. Les dispositifs à plasma toroidal sont des dispo- sitifs dans lesquels un plasma est créé dans un espace toroi- dal au point de vue topologique, habituellement à symétrie axiale, et est confiné dans cet espace par des champs ma- gnétiques de confinement appropriés Les dispositifs à plasma toroidal sont utiles dans la génération, le confinement, le chauffage, l'étude et l'analyse de plasmas De tels disposi- tifs sont utiles en particulier pour la réaction de deutérium et de tritium, de deutérium et de deutérium ou d'autres mélan- ges donnant lieu à une fusion nucléaire, avec la génération de neutrons de haute énergie et de particules chargées énergé- tiques, en tant que produits des réactions de fusion nucléaire. Les problèmes qui se posent dans les dispositifs de fusion nucléaire consistent dans une large mesure à chauffer le plasma à une température suffisamment élevée pour permet- tre le déroulement des réactions désirées, et à confiner le plasma chauffé pendant un temps suffisamment long pour libérer une quantité d'énergie supérieure à celle nécessaire pour chauffer le plasma jusqu'à la température de réaction L'in- vention porte sur le confinement magnétique d'un tel plasma et elle offre un intérgt particulier dans de tels dispositifs et leurs applications, y compris dans des dispositifs expéri- mentaux et dans leur utilisation dans l'expérimentation et la recherche en relation avec les dispositifs à plasma toroïdal. Un certain nombre de dispositifs à plasma torordal ont été proposés et construits Ceux qui ont le plus grand rapport avec l'invention sont les dispositifs du type Tokamak et les dispositifs à striction magnétique, parmi lesquels les dispositifs à striction par champ inversé Dans de tels dis- positifs, un gaz est confiné dans une enceinte de confinement de forme torordale et il est chauffé pour former un plasma qui est généralement maintenu à distance des parois de l'en- ceinte de confinement par des champs magnétiques appropriés. De tels dispositifs ont tous une topologie toroidale et sont habituellement à symétrie axiale, On appelle tore topologique n'importe quelle figure géométrique solide qui peut être pro- duite par une déformation élastique imaginaire d'un tore cir- culaire initial On obtient un tore à symétrie axiale en fai- sant tourner n'importe quelle figure géométrique plane autour de l'axe toro 3 dal principal Un dispositif toroidal à symétrie axiale est un dispositif dans lequel toutes les grandeurs sont invariantes vis-à-vis d'une rotation autour de l'axe torordal principal Une condition nécessaire pour le confinement magné- tique toroidal de plasmas consiste en ce que l'ensemble com- plet des composantes de champ magnétique forme un ensemble de surfaces magnétiques fermées, de forme toroïdale, et embottées. Une surface magnétique est par définition une surface mathéma- tique sur laquelle le champ magnétique ne comporte aucune com- posante normale à cette surface La surface magnétique enfer- mant un volume égal à zéro au centre de la structure emboîtée est appelée axe magnétique elliptique La plupart des disposi- tifs n'ont qu'un seul axe magnétique elliptique et un seul en- semble de surfaces emboîtées Cependant, les dispositifs de type doublet ont deux axes magnétiques elliptiques et les dis- positifs multi D 8 les ont deux ensembles de surfaces emboîtées ou plus. Dans certains dispositifs toroirdaux, tels que les dispositifs Tokamak et à striction magnétique, le champ magné- tique de confinement comprend des composantes de champ magné- tique qui sont produites par des courants circulant à travers le plasma confiné lui-même Lorsque des surfaces magnétiques emboîtées sont présentes, ce courant est fortement concentré dans celles de ces surfaces magnétiques qui sont les plus proches des axes magnétiques elliptiques De telles régions ayant une densité de courant plus élevée que le reste du plas- ma constituent ce qu'on appelle des canaux de courant. Dans les dispositifs toroldaux dans lesquels c'est nécessaire, on produit habituellement un courant de plasma toroidal au moyen d'un transformateur dans lequel le plasma toroidal confiné tient lieu de secondaire tandis que le pri- maire est un solénoïde central Une variation du courant dans le solénoïde produit un champ électrique torordal pour ioniser le gaz et faire circuler un courant de plasma autour du tore. Un effet de striction a lieu lorsque le courant électrique qui circule dans le plasma est soumis à l'action de son propre champ magnétique, pour exercer une pression de confinement sur le plasma Le courant élevé échauffe simulta- nément le plasma par effet ohmique Cependant, cette configu- ration, appelée configuration de striction de Bennett, qui, est en elle-même la plus simple, est instable et la plus gran- de partie du plasma heurte rapidement l'enceinte de confiné- ment, ce qui refroidit le plasma et s'oppose à toute réaction. Pour cette raison, des mesures supplémentaires ont été prises pour améliorer la stabilité du système. Ia stabilité magnétohydrodynamique (MHD) d'un plasma confiné de façon magnétique dépend du pas des lignes de champ magnétique qui entourent l'axe ou les axes magnétiques Ce pas P est défini par la relation: P lim ( 1) k-o 211 k dans laquelle A 5 est la distance parcourue dans la direction de l'axe magnétique et k est le nombre de fois que l'axe est encerclé, en suivant dans les deux cas une ligne de champ. Cette limite est la même pour toutes les lignes de champ pos- sibles sur une surface magnétique donnée Dans des dispositifs à plasma torordal, on utilise habituellement à la place le facteur de sécurité q défini par la relation: q = p/ désigne ici le grand rayon moyen de la surface magnétique considérée R est le grand rayon mesuré radialement depuis l'axe toroldal principal jusqu'à la surface magnétique le rap- port de forme A d'un tore est défini par la relation A R /a dans laquelle RO est le grand rayon allant jusqu'à l'axe magné- tique elliptique et a est le petit rayon moyen de la surface du plasma Pour un tore topologique général, = /21 r, en désignant par la grande circonférence moyenne de la sur- face magnétique considérée qui n'est pas à symétrie axiale Il existe une relation correspondante entre le pas P et le fac- teur de sécurité q pour des systèmes encore plus généraux O Pour être stable au point de vue magnétohydrodynamique, les disposi- tifs à plasma toroidal doivent satisfaire certaines conditions nécessaires pour q Si r est le petit rayon moyen, ces condi- tions s'expriment habituellement de façon simple sous la forme: (a) jql q 1; et (b) S rq doit être suffisamment grand pour q d Lr satisfaire les critères appropriés, parmi lesquels les critè- res de Mercier et de Robinson; en particulier dq/dr ne doit pas changer de signe à l'intérieur du plasma et ne peut dtre égal à zéro que sur un axe magnétique. Les conditions (a) et (b), considérées ensemble, pour des dispositifs à rapport de forme élevé imposent que dans des plasmas avec des canaux de courant, comme les Tokamaks et les configurations de striction, on ait soit Iq I > 1 sur l'axe, avec une augmentation monotone de cette quantité à tout autre endroit dans le plasma; soit jq I quantité diminuant de façon monotone pour une distance crois- sante à partir de l'axe magnétique, passant par zéro sans dis- continuité, puis augmentant de façon monotone pour une distance croissante à partir de l'axe magnétique dans les régions ex- térieures du plasma Le cas jq I> 1 est réalisé dans les Tokamaks et le cas jqj tion par champ inversé La condition (a) ci-dessus est habi- tuellement exigée pour éviter une instabilité grave de non linéarité qui se manifeste lorsque q Y 1 Un critère plus général pour la stabilité des modes non linéaires est donné par le principe d'énergie de IB Bernstein et col, dans le document Proceedings of The Royal Society of London, A, 244, ( 1958), pages 17-40 Pour de faibles valeurs de bêta polaire, p défini par Pp 2 %op/Bp, il est possible de trouver des équilibres du plasma qui soient stables vis-à-vis des mo- des non linéaires, m 9 me lorsque q 1 p et Bp sont ici les valeurs moyennes sur le volume du plasma de la pression p et du carré de l'intensité de champ magnétique polaire B, et p O est la perméabilité magnétique du vide Par exemple, lorsque A Dans le cas de surfaces de flux de forme arbitraire dans des tores à symétrie axiale, on peut écrire l'équation ( 2) sous la forme suivante, qui est d'application facile q 22 B j 2 d ( 3) Dans cette équation, BT est l'intensité de champ magnétique toroidal et Bp est l'intensité de champ magnétique polaire. L'intégrale sur une ligne fermée, dans laquelle 1 est la lon- gueur de l'arc polaire, est prise autour de la surface de flux sous un angle toroidal constant La convention utilisée ici est que BT > O sur l'axe magnétique elliptique de la con- figuration de striction par champ inversé Ainsi, q > O sur un tel axe et décroît de façon monotone pour une distance croissante à partir de cet axe, en changeant de signe au point d'inversion du champ Pour la convention opposée, avec B t L O T sur un tel axe, q C 0 sur un tel axe et augmente de façon mo- notone pour une distance croissante à partir de cet axe La quantité S qui apparaît dans la condition (b) ci-dessus est le cisaillement magnétique, qui exerce un effet stabilisateur sur de nombreuses classes d'instabilités, en particulier sur les instabilités d'échanges MHD idéaux et sur de nombreuses micro-instabilitéso Une autre propriété importante, qui améliore la stabilité en atténuant les instabilités MD qui sont excitées de façon spécifique par la pression du plasma, consiste dans le puits magnétique moyen, ou B moyen minimal, en désignant par B l'intensité du champ magnétique Un examen des avanta- ges d'un puits magnétique moyen et de nombreuses configura- tions qui ont cette propriété figure dans l'ouvrage de H P. Furth intitulé Advances in Plasma Physics, Simon and Thompson, 1 (Interscience Publishers, New York, 1968), pages 67-100 Le carré moyen de l'intensité de champ magnétique B 2 > sur une surface de flux se calcule par l'expression: J dl ( 4) > j B-1 dl dans laquelle l'intégration est effectuée en suivant une li- gne de champ magnétique sur une distance suffisante pour échantillonner la totalité de la surface magnétique La défi- nition la plus simple d'un puits magnétique moyen, à la limi- te pour laquelle la pression de plasma est faible, est un mi- nimum de à l'intérieur du plasma Plus généralement, un puits magnétique moyen existe lorsqu'il y a un minimum de la quantité: + 2 P-p ( 5) La condition ( 5) présente également une forte corrélation avec la stabilité de modes d'échanges résistifs dans les configurations de striction par champ inversé Lorsque + 2)op augmente pour une distance croissante à par- tir de l'axe magnétique elliptique, le mode d'échange résis- tif est stable. Un puits magnétique moyen implique que la moyenne de la valeur du champ magnétique augmente en direction de l'extérieur à partir du centre du dispositif Par conséquent, si le plasma est entrainé vers l'extérieur par un début d'instabilité, il rencontre un champ magnétique plus intense qui s'oppose à son mouvement vers l'extérieur. La configuration de confinement magnétique toroïda- le la plus couramment utilisée à l'heure actuelle est le Tokamak, dont le principal élément caractérisant est de sa- tisfaire les exigences de stabilité relatives à q en tra- vaillant avec Iq > 1 et S > O, par l'application d'une in- tensité de champ magnétique toroidal BT suffisamment grande, conformément à l'équation ( 3) Du fait que le rapport de for- me A est généralement supérieur ou égal à 3, le champ toroi- dal, qui doit être fourni par un grand système de bobines de champ toroidal disposé autour de l'enceinte de confinement, doit 8 tre élevé On a de façon caractéristique:-BT = 5 Bp à Bp Par conséquent, le courant torordal maximal Ip circu- lant dans le plasma, qui est lié à l'intensité de champ ma- gnétique polaire Bp par la relation Bp = o O Ip/2 er, et avec lui l'échauffement ohmique du plasma, sont limités par la va- leur maximale possible de l'intensité de champ toroidal BT que peut supporter un système d'aimants utilisable en prati- que Un petit puits magnétique, qui est également important pour la stabilité du Tokamak, est obtenu par des effets toroi- daux La valeur maximale prévue par la théorie pourla pres- sion de plasma qui peut être confinée est limitée à P( 30,10 et peut très bien être inférieure, en désignant par m 5/(B 2/2 Lo) o le rapport entre la pression du plasma, en valeur moyenne dans le volume, et la pression magnétique du champ de confinement. (On utilise ici et dans tout le reste de la description le système d'unités SI) Du fait de la faible valeur de P du Tokamak, les structures de réacteur de fusion qui sont basées sur ce dispositif doivent faire appel à des structures de grandes dimensions ou doivent employer une intensité de champ magnétique to oidal extraordinairement élevée. Le champ magnétique toroidal que produit le système de bobines de champ toroidal est appelé champ toroidal dans le vide lorsqu'aucun plasma n'est présent Le champ magnéti- que toroidal varie alors en fonction inverse du grand rayon et la quantité f RBT est une constante Lorsque f est indé- pendant de la surface de flux qui est considérée dans une ré- gion dans le plasma, on dit que le champ magnétique toroïdal dans cette région est un champ magnétique dans le vide Ain- si, le champ magnétique torordal dans un plasma est similaire à un champ magnétique toroïdal dans le vide lorsque BT varie en fonction inverse de R. Les configuration de striction se distinguent essen- tiellement des Tokamaks, auxquels elles ressemblent superfi- ciellement, par le fait qu'elles remplissent la condition jqj 4 1 en tout point dans le plasma, et remplissent habituel- lement la condition Jq " configurations RFP dans la revue Nucl Fusion 20 ( 1980), pa- ges 1255-1324 La configuration RFP est une configuration de striction diffuse dans laquelle la composante de champ magné- tique sensiblement parallèle à l'axe magnétique à une direc- tion dans la région extérieure du plasma qui est opposée à sa direction dans la région intérieure, d'o il résulte que q(r) passe par zéro et change de signe à l'intérieur du plas- ma En fait, on observe une instabilité fortement réduite dans les expériences portant sur les configurations de stric- tion lorsque le profil inversé de q(r) est établi L'inver- sion du champ et de q est obtenue en emprisonnant un champ toroidal dans un plasma soumis à une striction et en établis- sant des conditions aux limites externes telles qu'un champ toroidal de signe opposé puisse exister entre le plasma et la paroi Une enveloppe conductrice est également nécessaire pour la stabilité La combinaison du courant toro'dal et du champ magnétique toroidal inversé qu'on obtient dans les dispositifs RFP produit un état d'équilibre à très faible énergie libre, qui est stable pour un f faible Cette sta- bilité est indépendante d'effets toroidaux Par conséquent, on peut choisir à volonté les rapports de forme des disposi- tifs RFP pour optimiser les paramètres techniques et ceux du réacteur. Dans le dispositif RFP, le champ torordal agissant de façon externe est inférieur à B Par conséquent, contrai- rement au Tokamak, Ip n'est limité que par l'intensité maxi- male de Bp que peut supporter le dispositif, et un échauffe- ment ohmique important du plasma est possible En outre, le m maximal qu'il est possible d'obtenir dans les dispositifs RFP est supérieur à celui des Tokamaks Par conséquent, les structures de réacteurs de fusion basées sur le dispositif RFP peuvent étre plus petites ou utiliser des champs magné- tiques plus faibles qu'avec les Tokamaks. Malheureusement, le dispositif RFP ne possède pas de puits magnétique et on a prévu théoriquement et observé dans des simulations de plasma sur ordinateur qu'une insta- bilité d'échanges résistifs de type m = O se développe pour former une grande cellule de convection près de la surface q=O et limite le confinement du plasma On désigne ici par m le nombre de mode polaire de l'instabilité considérée Il existe des données qui suggèrent que cette instabilité est présente dans des expériences actuelles sur les dispositifs PFP Les instabilités d'échanges résistifs sont parmi celles qu'on peut stabiliser par un puits magnétique. Les dispositifs de confinement de plasma de type multipôle utilisent une technique différente pour le confine- ment d'un plasma torordal Dans les dispositifs multipôles, le courant dans le plasma toroidal est remplacé par deux an- neaux conducteurs solides, ou plus, situés à l'intérieur du plasma, qui produisent un ensemble de surfaces magnétiques fermées emboîtées autour de chaque anneau Par convention, le nombre de poles est égal au double du nombre de conducteurs. Ainsi, par exemple, un dispositif avec deux conducteurs inter- nes est appelé un quadripôle; un dispositif avec quatre con- ducteurs est appelé un octopôle, etc Du fait que le courant circule dans des conducteurs rigides, la circulation de cou- rant est stable Il n'est pas nécessaire d'avoir un champ magnétique torordal intense Les anneaux de courant sont pla- cés de façon à générer un champ magnétique multipolaire et au moins un axe magnétique hyperbolique à l'intérieur de l'espa- ce approximativement entouré de façon polaire par les anneaux. Un axe magnétique hyperbolique apparaît sur une surface de flux lorsqu'il y a plus de deux directions possibles dans lesquelles on peut tracer une ligne de champ magnétique En outre, ces anneaux et le ou les axes magnétiques hyperboliques sont entourés par un ensemble extérieur de surfaces magnéti- ques fermées et emboîtées La ou les surfaces magnétiques qui passent par l'axe magnétique hyperbolique et séparent les sur- faces magnétiques extérieures et les surfaces magnétiques qui n'entourent qu'un seul anneau sont appelées des surfaces ma- gnétiques séparatrices On a prouvé l'existence d'un excellent confinement dans des dispositifs multipoles expérimentaux On peut ajouter un cisaillement en employant seulement un champ toroidal faible. Les dispositifs multiples présentent un certain nombre de difficultés importantes pour les applications con- cernant les plasmas à haute température et la fusion, et ces difficultés sont associées à la disposition d'anneaux conduc- teurs à l'intérieur du plasma Les anneaux nécessitent une structure de support, qui intercepte les particules chargées, détruit la symétrie du dispositif et conduit à un confinement réduit du plasma Selon une variante, on peut éliminer la structure de support par l'utilisation d'anneaux supraconduc- teurs qui sont maintenus en lévitation par l'utilisation de champs magnétiques, mais les exigences concernant la protec- tion du supraconducteur contre les neutrons de fusion à haute énergie créent des difficultés extrêmes. Il est possible d'avoir une surface magnétique sé- paratrice qui entoure deux canaux de courant, ou plus, parmi lesquels l'un est constitué par le plasma et les autres sont 1 1 des conducteurs externes au plasma Dans ce cas, la sépara- trice entoure toujours au moins deux ensembles de surface de flux emboîtées, mais le plasma n'existe que dans un seul ensemble de surfacesde flux emboîtées L'axe magnétique hy- perbolique se trouve sur la séparatrice à l'endroit o il y a plus de deux directions possibles dans lesquelles on peut suivre la ligne de champ magnétique la forme des surfaces de flux embo tées dans une section transversale toroldale à travers les surfaces, qu'on appelle une section transversale du plasma, consiste normalement en un ensemble de cercles concentriques pour une striction par champ inversé Si une séparatrice est formée près de la striction à champ inversé, l'axe magnétique hyperbolique se trouve sur la séparatrice, à l'endroit de l'intersection de la surface de flux avec elle-m 4 me La frontière entre le plasma et le vide environ- nant est une surface de flux magnétique et constitue ce qu'on appelle la surface du plasma. Un autre principe de confinement est indiqué dans la demande Eurojpenne N O 82 306418 3 déposée le 2 décembre 1982. Le dispositif représenté dans la demande précitée peut être considéré comme un dispositif multipole dans lequel les an- neaux internes solides ont été remplacés par des canaux de courant de plasma, dans une configuration de striction à courant élevé Exactement comme dans les dispositifs multi- pôles à anneaux solides, des courants approximativement égaux circulant en parallèle dans les canaux de courant de plasma génèrent un axe magnétique hyperbolique et des surfaces ma- gnétiques séparatrices à l'intérieur du plasma Ceci produit un puits magnétique moyen, à condition que la composante de champ magnétique dans-la direction de l'axe magnétique hyper- bolique ne soit pas trop élevée à proximité de l'axe magnéti- que hyperbolique, ce qu'on peut toujours obtenir en faisant fonctionner les canaux de courant de plasma comme des confi- gurations de striction par champ inversé, de façon à avoir q=O à proximité d'un tel axe magnétique hyperbolique. L'invention fait appel à un principe de confine- ment fondamentalement différent, permettant d'obtenir les meilleurs avantages d'un puits magnétique et de dispositifs RFP à ' élevé On peut considérer la forme fondamentale de l'invention comme un dispositif RFP à faible rapport de for- me, dans lequel un puits magnétique est généré par une mise en forme appropriée de la section transversale du plasma. Une surface magnétique séparatrice avec au moins un axe ma- gnétique hyperbolique est générée soit à l'extérieur de la surface du plasma, soit sur cette surface, par des courants qui circulent dans des bobines extérieures En plaçant l'axe magnétique hyperbolique près de la surface du plasma, dans la région située entre l'axe magnétique elliptique et l'axe torordal principal, la section transversale du plasma est déformée vers l'intérieur en direction de l'axe toroidal principal La combinaison d'un champ magnétique fortement inversé, de la mise en forme de la section transversale du plasma et d'effets toroïdaux à faible rapport de forme, pro- duit -un puits magnétique moyen Le puits magnétique moyen est créé par la variation de sur des surfaces de flux voisines, comme dans les Tokamaks On appellera ci-après "puits de champ inversé" la 'configuration de striction par champ inversé avec puits magnétique. On dit, par définition, que le champ toroldal est fortement inversé lorsque 1 B Ti est supérieur à J Bp| près de la surface du plasma et lorsque B X (BT)2 Si BT est éga- lement pratiquement identique à un champ magnétique dans le vide, il varie en fonction inverse de R Conformément à l'in- vention, on donne à IBTI une valeur supérieure à Bpi et on le fait varier en fonction inverse de R près de la surface du plasma Toujours conformément à l'invention, les surfaces de flux du plasma sont déformées vers l'axe torordal par l'axe magnétique hyperbolique, et la variation de 1/ est ainsi plus fortement pondérée sur une surface de flux par les points les plus proches de l'axe toroidal L'utilisation d'un rapport de forme de valeur faible pour le dispositif renfor- ce cette pondération La quantité 4 'B > + 2 F Op est alors dominée par la variation de BT et elle est la plus grande sur la surface du plasma et diminue initialement sur les surfaces de flux intérieures qui sont plus éloignées de l'axe * toroidal principal et plus proches de l'axe magnétique ellip- tique Lorsqu'on se dirige vers la surface du plasma à par- tir d'une surface de flux intérieure, on observe une augmen- tation de + 2 Fop, ce qui indique l'existence d'un puits magnétique moyen dans le plasma. Les plasmas soumis à une striction ont une forte tendance à conserverune section polaire presque circulaire. On utilise donc des moyens pour empêcher que le plasma ne s'agglomère en une configuration de striction par champ in- versé avec une section circulaire En outre, on peut ajuster et optimiser la forme précise du plasma, si nécessaire, au moyen de faibles courants circulant dans des bobines tororda- les à l'extérieur de l'enveloppe conductrice. On peut obtenir la stabilité dans une configuration de striction par champ inversé avec un puits magnétique par un profil de q et une enveloppe conductrice, comme dans le dispositif RFP, plus un puits magnétique moyen, comme dans un Tokamak Du fait qu'un rapport de forme faible est exigé, avec A inférieur à environ 6, les critères pour la stabilité vis- à-vis de la non linéarité ne sont pas aussi sévères et il est possible de réaliser un puits de champ inversé qui soit stable vis-à-vis de la non linéarité, même lorsque Iqi 1 En termes généraux, le puits magnétique moyen augmente le j maximal qui peut être obtenu Le puits dans des dispositifs à puits de champ inversé dépend d'effets torordaux et le rapport de forme toroidal de tels dispositifs doit donc être faible Comme le dispositif RFP, le puits de champ inversé ne nécessite que des champstoroidaux faibles; par conséquent, le courant de plasma et le chauffage ohmique ne sont limités que par les champs polaires maximaux que peut supporter le dispositif. Le dispositif de l'invention est nettement diffé- rent des dispositifs multipoles de l'art antérieur dans la mesure o le puits magnétique est obtenu sans utiliser d'anneaux solides immergés dans le plasma, avec les problè- mes que soulèvent de tels anneaux Il est nettement diffé- rent des dispositifs RFP de l'art antérieur du fait de l'existence de moyens destinés à créer des plasmas avec un puits magnétique moyen, par une mise en forme de la section du plasma et une combinaison d'une forte inversion de champ et d'un faible rapport de forme En outre, il est nettement différent de configurations de striction en hélice de l'art antérieur, comme celle du brevet US 4 302 284, quelquefois appelée OHTE, comportant des axes magnétiques hyperboliques multiples à la surface du plasma et ne comportant pas de puits magnétique. Le dispositif de l'invention est également nette- ment différent des dispositifs Tokamak de l'art antérieur, dans la mesure o q change de signe à l'intérieur du plasma. Une différence critique, du point de vue du rendement et de la structure du dispositif, consiste en ce que les canaux de courant d'un Tokamak exigent des champs magnétiques toro Xdaux plusieurs fois supérieurs au champ que produit le courant de plasma, tandis que dans les canaux de courant correspondant à une configuration de striction, les champs sont comparables. En outre, avec un champ toro'dal donné, il est possible de faire circuler un courant beaucoup plus élevé dans le dispo- sitif de l'invention que dans le dispositif Tokamak, et le chauffage associé à ce courant réduit considérablement les exigences de chauffage auxiliaire par rapport au dispositif Tokamak Le dispositif à puits de champ inversé et le dispo- sitif Tokamak se différencient en outre par leurs profils de q différents Le prcfil de q du Tokamak est en tout point supérieur à l'unité, tandis que dans le dispositif à puits de champ inversé, le paramètre q est inférieur à l'unité sur l'axe magnétique elliptique, il varie de façon monotone et passe par zéro Enfin, dans les dispositifs Tokamak, le champ torordal ne varie que faiblement dans tout le volume du plasma, tandis que dans les dispositifs à puits de champ inversé, sa direction s'inverse entre l'axe magnétique ellip- tique et la limite du plasma Un dispositif à puits de champ inversé de type préféré comporte une bobine d'induction et un système d'alimentation associé qui sont conçus de façon à induire un champ électrique toroïdal d'au moins 100 V/m pern- dant la phase du cycle de décharge qui correspond à la forma- tion de la configuration de striction du plasma Au contraire, un dispositif Tokamak est habituellement conçu de façon à in- duire un champ électrique toroidal plus faible, comme par exemple moins de 25 V/m dans le dispositif Doublet III de la firme General Atomic Company. Le dispositif de l'invention est également nette- ment différent du dispositif à configurations de strictions mul- tiples de la demande de brevet précitée, dans la mesure o le puits de champ inversé ne comporte qu'un seul canal de courant et crée le puits magnétique moyen d'une manière entièrement différente Le puits magnétique moyen de la configuration à strictions multiples appara t du fait que le champ magnétique est exactement égal à zéro sur l'axe magnétique hyperbolique qui s'étend entre les canaux de courant Le puits magnétique moyen de la configuration à puits de champ inversé apparaît pour un rapport de forme faible lorsque la section du plasma a une forme appropriée et lorsque le champ magnétique toroidal varie pratiquement comme un champ magnétique dans le vide près de la surface du plasma La séparatrice se trouve soit à l'ex- térieur de la surface du plasma, soit sur cette surface, au lieu d'être à l'intéri Eur de la surface du plasma, comme dans la configuration à strictions multiples. Un but essentiel de l'invention est donc de réaliser un confinement magnétique d'un plasma à striction par champ inversé avec un puits magnétique moyen, et en particulier un confinement tel que celui qu'on obtient en utilisant une mise en forme de la section du plasma avec un rapport de forme fai- ble. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 montre les surfaces magnétiques obtenues lorsque la section du plasma est mise en forme de façon appro- priée, conformément à une forme préférée de l'invention; La figure 2 est une coupe polaire d'un mode de réa- lisation préféré de l'invention, destiné à générer les sur- faces magnétiques représentées sur la figure 1; La figure 3 est une vue en plan du dispositif re- présenté sur la figure 2; Les figures 4 a et 4 b montrent les surfaces de flux pour les deux configurations les plus simples établissant des axes magnétiques hyperboliques près de la surface du plas- ma, pour la génération de formes de plasma avec un puits ma- gnétique moyen; et Les figures 5 a et 5 b montrent des profils du puits magnétique moyen + 2 p O du facteur de sécurité q et des composantes torordales du champ magnétique BT et de la densité de courant J,, calculés à partir d'une solution toror- dale particulière d'équilibre MHD correspondant au dispositif des figures 2 et 3. Le point essentiel dans le principe de l'invention consiste dans la mise en forme et dans la commande d'un canal de courant de plasma correspondant à une striction toroïdale, de façon à produire un puits magnétique moyen à l'intérieur du plasma en utilisant un champ magnétique torordal fortement inversé et un axe magnétique hyperbolique externe O Le mode de réalisation décrit ici utilise lorsque c'est possible des techniques et du matériel connus dans le domaine de la produc- tion et de l'utilisation de plasmas chauds confinés de façon magnétique Les figures 2 et 3 représentent un mode de réali- sation de l'invention destiné à l'utilisation en tant que dispositif de recherche sur les plasmas, ce dispositif pro- duisant les surfaces magnétiques qui sont représentées sur la figure 1 Comme le montrent les figures 1, 2 et 3, un plasma comportant un canal de décharge à striction 10 est créé à l'intérieur d'une chambre à vide principale qui est formée par une paroi 14, de manière à définir une surface de plasma 28 en forme de goutte d'eau et un axe magnétique elliptique , avec des surfaces magnétiques fermées et emboîtées 24 Le canal 10 et la chambre 14 sont symétriques par rapport à l'axe toroidal principal 30 et au plan médian 32. Le puits magnétique moyen est produit dans le canal par une combinaison de quatre effets Premièrement, le champ magnétique toroidal est fortement inversé de façon à avoir IBT 1 > 1 Bp 4 sur la surface de flux 28 et B 2 X B 2 Se- condement, un axe magnétique hyperbolique 27 est situé sur le plan médian 32, au bord intérieur d'une enveloppe conductrice 36, à l'endroit auquel l'enveloppe est la plus proche de l'axe toroidal principal 30 Ceci déforme la surface de flux 28 pour lui donner la forme en goutte d'eau Troisièmement, le rapport de forme du canal est faible, c'est-à-dire qu'on a A = 2,6. Quatrièmement, le champ magnétique toroidal varie pratiquement comme un champ magnétique dans le vide sur la surface de flux 28 La moyenne de B 2 sur les surfaces de flux est alors domi- née par les points les plus proches de l'axe toroidal, pour lesquels R est le plus faible | BTI a la valeur la plus éle- vée sur la surface de flux 28 au niveau du plan médian, sur le côté le plus proche de l'axe toroïdal principal 30 B 2 a également la valeur la plus élevée en ce point la déformation de la surface de flux par l'axe magnétique hyperbolique ren- force cet effet, ce qui fait que la moyenne des surfaces de flux autour de la surface 28 est également dominée par les points les plus proches de l'axe magnétique hyperbolique Les surfaces 24 qui sont plus éloignées de l'axe torcidal ont une plus faible valeur de BT et une plus faible valeur de Ceci est suffisant pour créer le puits magnétique. moyen. Les figures 4 a et 4 b montrent différentes positions possibles pour les axes magnétiques hyperboliques 27 La fi- gure 4 a montre une configuration de surfaces de flux avec un seul axe magnétique hyperbolique 27 et la figure 4 b montre une configuration de surfaces de flux avec deux axes magnéti- ques hyperboliques symétriques 27 La figure 4 a est similaire à la configuration représentée sur la figure 1 L'axe magné- tique hyperbolique 27 situé sur une séparatrice 29 se trouve entre l'axe magnétique elliptique 20 et l'axe toroidal prin- cipal 30, sur le plan médian 52 La surface 28 du plasma est déformée vers l'intérieur par l'axe magnétique hyperbolique 27, en direction de l'axe torotdal principal 30 Sur la figu- re 4 b, les axes magnétiques hyperboliques 27 ne se trouvent plus dans le plan médian 32, mais la surface 28 du plasma est toujours déformée vers l'intérieur, en direction de l'axe to- roïdal principal 30 La configuration de surfaces de flux qui est représentée sur la figure 4 a peut être formée par le dis- positif qui est représenté sur les figures 2 et 3 La forma- tion de la configuration de surfaces de flux qui est repré- sentée sur la figure 4 b nécessite de réarranger les bobines de champ vertical 38 pour approcher la forme de la surface sé- paratrice 29. On considère que l'axe magnétique hyperbolique 27 est proche de la surface 28 du plasma lorsqu'il se trouve à une distance de la surface du plasma ne dépassant pas unlm pe- tit rayon Lorsque l'axe magnétique hyperbolique 27 est placé plus près de la surface 28 du plasma, l'importance de la dé- formation des surfaces de flux vers l'intérieur, en direction de l'axe toroidal principal, augmente Dans le mode de réali- sation préféré qui est représenté sur la figure 2, l'axe ma- gnétique hyperbolique se trouve à l'intersection de l'envelop- pe 36 et du plan médian 32, au point le plus proche de l'axe toroidal principal 30. La profondeur du puits magnétique moyen est la dif- férence que présente la quantité + 2 I Lp entre la valeur au minimum et la valeur à la surface du plasma La profondeur du puits magnétique moyen est physiquement importante lors- qu'elle est supérieure au carré moyen des fluctuations du champ magnétique, A B Pour un rapport de forme égal à 6, la profondeur de puits qu'il est possible d'obtenir est du m 9 me ordre de grandeur que les valeurs de à B 2 observées expérimen- talement Le rapport de forme doit donc être inférieur à 6 pour obtenir un puits effectif Lorsque A diminue, la profon- deur de puits qu'il est possible d'obtenir augmente La va- leur préférée de A est la plus faible qu'il est physiquement possible d'obtenir, compte tenu de contraintes techniques im- posées par les bobines d'induction 84, 46 et 48 et les bobines de champ torordal 58 Pour le mode de réalisation préféré qui est représenté sur la figure 5 a, la profondeur de puits est plus de trois fois supérieure à AB et A est égal à 2,6. Lorsque la profondeur de puits augmente, la valeur du facteur de sécurité à la surface du plasma augmente égale- ment Pour le mode de réalisation préféré représenté sur la figure 5 a, la valeur de q à la surface du plasma est de 3. Pour une paroi conductrice 36 à la position représentée sur la figure 2, une analyse théorique du mode non linéaire uti- lisant le principe de l'énergie prévoit que le plasma est sta- ble Ceci est raisonnable du fait que le rapport de forme est inférieur à 2/13 p pour le mode de réalisation préféré de l'in- vention. Comme le montre la figure 5 a, la valeur minimale de + 2 p op apparat à l'extérieur du point d'inversion du champ o le facteur de sécurité q change de signe La région du puits magnétique moyen est celle dans laquelle Iq I est su- périeure à la valeur de I q sur l'axe magnétique ellipti- que. La paroi de chambre 14 peut être en acier inoxyda- ble non magnétique, comme de l'acier inoxydable 316, ou en alliage de type Inconel, ayant une paisseur d'environ 0,3 mm. La résistance torordale de la paroi de la chambre est supé- rieure à 5 m Il, ce qui est suffisamment élevé pour permettre la pénétration du champ électrique toroïdal induit en une durée très inférieure à 1 ms, pour ioniser l'hydrogène ou d'autres gaz injectés dans la chambre à une pression d'envi- ron 0,13 Pa, et pour faire circuler un courant de plasma to- roïdal L'intérieur de la paroi 14 peut Ctre nettoyé sur pla- ce par une combinaison d'un nettoyage par décharge lumines- cente à courant continu et d'un étuvage à une température d'environ 10000, ou par d'autres techniques efficaces, pour produire une surface propre à l'échelle atomique, avec une faible vitesse de dégazage On peut également utiliser d'au- tres matières ayant une conductivité électrique faible et qui sont compatibles avec la technique d'ultra-vide qu'on utilise dans les dispositifs de fusion Comme il est repré- senté, la paroi de chambre 14 est équipée d'un certain nombre d'orifices 34 ayant divers buts, parmi lesquels l'observation du plasma et l'accomplissement de mesures sur celui-ci, ainsi que l'établissement du vide dans la chambre, jusqu'à une pres- sion de 1,3 x 10-6 Pa On peut utiliser dans ce but des sys- tèmes de pompage turbomoléculaires ou à cryopompe de type classique La paroi de chambre 14 a une forme conçue de façon à approcher étroitement la forme désirée du plasma. Le grand rayon R 1 d'un dispositif à plasma particu- lier, pris à titre d'exemple, est de 0,65 m depuis l'axe prin- cipal 30 jusqu'à l'axe magnétique elliptique 20 La chambre définie par la paroi 14 mesure 0,48 m de hauteur sur 0,55 m de largeur à son emplacement le plus large La largeur du plan médian du mode de réalisation représenté est de 0,55 m, mais on peut changer la valeur exacte de cette dimension de la manière désirée ou exigée pour améliorer les performances relatives au plasma, sans changer la nature de l'invention. Les dimensions de la section de la chambre peuvent être aug- mentées ou réduites proportionnellement Le grand rayon de la chambre doit être augmenté ou diminué simultanément à la va- riation des dimensions de la section afin de maintenir un rapport de forme toroidal faible approprié. La forme limite caractéristique, dont le but est d'imposer la formation du canal de courant 10 et la section du plasma en forme de goutte d'eau, est obtenue par l'enve- loppe profilée 36 et par des enroulements de champ vertical répartis, 38 On utilise depuis de nombreuses années des enveloppes conductrices profilées pour communiquer des for- mes particulières à des plasmas, et les applications les plus similaires dans l'art antérieur concernent des disposi- tifs multipôles à conducteurs internes, comme dans le brevet US 3 194 739 et dans les dispositifs du type Doublet, comme dans le brevet US 3 692 626 Voir également la demande de brevet précitée concernant une configuration à strictions multiples La forme exacte de l'enveloppe 36 est déterminée par la résolution de l'équation de Grad-Shafranov correspon- dant à l'équilibre MHD, qu'on décrira dans des paragraphes ultérieurs, afin d'obtenir un plasma ayant les propriétés désirées Simultanément, l'enveloppe 36 contribue à stabili- ser le plasma en repoussant, par le principe des courants images, tout courant de plasma qui tente de se déplacer vers la paroi 14 Dans un petit dispositif de recherche sur les plasmas, comme celui qui est représenté, l'espace de dégage- ment 40 entre la paroi 14 de la chambre et l'enveloppe 36 est d'environ 3 mm. L'enveloppe profilée 36 est constituée par un mé- tal fortement conducteur, comme du cuivre ou de l'aluminium, et elle a une épaisseur de 6 mm dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3 L'enveloppe 36 comporte une discontinuité toroidale non conductrice de l'électricité, pour empêcher la circulation d'un courant toroidal résultant dans l'enveloppe, qui constituerait alors un circuit secon- daire en court-circuit pour les enroulements de champ verti- cal 38 La discontinuité doit être isolée à 10 k V pour tenir les tensions transitoires Une discontinuité polaire simi- laire, non conductrice de l'électricité, 33, est établie pour permettre la pénétration d'un flux toroldal pendant l'inver- sion de champ magnétique toroi:dal assistée Ceci diminue l'excursion de flux nécessaire pour une bobine d'induction à air 84 destinée à faire circuler un courant torordal. La paroi de chambre 14 seule est trop mince pour supporter la pression atmosphérique sans s'écraser Par con- séquent, une fois que la chambre a été alignée dans sa posi- tion correcte à l'intérieur de l'enveloppe 36, par exemple au moyen de petites entretoises électriquement isolantes, on emplit l'espace de dégagement 40 avec un mélange liquide à base de silicones qui peut être durci sur place pour donner un caoutchouc aux silicones solide, adhésif et élastique, liant fermement ensemble la paroi de chambre 14 et l'envelop- pe 36 C'est donc l'enveloppe 36, et non la paroi de chambre mince 14,qui supporte la pression atmosphérique Il existe des caoutchoucs aux silicones qui supportent aisément 1000 C, c'est-à-dire la température maximale dans le corps de la pa- roi pendant l'étuvage et le nettoyage L'élévation maximale prévue de la température de la paroi lorsqu'une énergie de k J est déposée uniformément sur la paroi pendant une dé- charge de test n'est que de-200 C. Les bobines d'induction 84, 46 et 48 induisent un champ électrique torordal pour ioniser le gaz à l'intérieur de la chambre 14, ce qui forme un plasma, et pour faire cir- culer dans le plasma un courant torordal suffisant pour chauf- fer le plasma de façon résistive jusqu'à une température éle- vée Le champ magnétique polaire créé par le courant de stric- tion contribue également de façon majoritaire au confinement magnétique du plasma chaud, par l'effet de striction, et ce courant doit donc Ctre entretenu pendant la durée désirée de confinement du plasma La bobine d'induction à air 84 fournit l'excursion de flux exigée pour faire circuler le courant to- roïrdal Cet aspect du dispositif et les considérations fonda- mentales concernant sa conception sont les mêmes dans l'in- vention que dans les dispositifs RFP et Tokamak ainsi que dans d'autres dispositifs à plasma toroidal chauffés de façon ohmique. Les bobines de champ vertical 38 ont une action qui s'ajoute à celle de l'enveloppe 36 pour la mise en forme du plasma Du fait qu'un flux magnétique diffuse à travers une enveloppe d'épaisseur w, de petite demilargeur b et de conductivité électrique î en un temps 'env donné par Z nv = pgwb/2 son aptitude à définir la forme du plasma est perdue au bout de cette durée Pour le dispositif représenté sur les figures 2 et 3, Z = 18 ms Cependant, on peut également commander env avec précision la forme du plasma au moyen d'un courant répar- ti dans des conducteurs externes, de façon à donner des con- ditions magnétiques aux limites identiques à celles de l'en- veloppe Ces conditions comprennent également le champ dit vertical, qui s'oppose à la tendance à la dilatation du grand rayon du plasma toroidal la mise en forme par des bobines externes a été démontrée dans les deux expériences Doublet II-A et Doublet III Sur la figure 2, les spires individuel- les des bobines de champ vertical 38 sont représentées avec une répartition qui permet d'atteindre le but désiré On peut trouver une infinité de telles répartitions, mais on obtient la mise en forme la plus efficace lorsque les enroulements sont placés près de l'enveloppe profilée 36, comme il est représenté On peut également obtenir des structures satis- faisantes avec un nombre de spires différent de celui qui est représenté Ainsi, la transition entre la mise en forme du plasma par courants imagesdans l'enveloppe 36 à la mise en forme par le champ magnétique produit par la répartition spé- ciale des conducteurs de courant des bobines de champ verti- cal 38 s'effectue progressivement, et la durée du plasma n'est pas limitée par t;nv- Les bobines d'induction 84, 46 et 48 sont excitées d'une manière classique Par exemple, si les bobines 84, 46 et 48 sont connectées en série, une batterie de condensateurs chargée à 20 k V induira un champ électrique de 245 V/m dans la direction toroidale On a trouvé qu'un tel champélectrique était plus que suffisant pour établir des plasmas chauds dans des expériences sur des dispositifs RFP de taille similaire. Les bobines de champ vertical 38 procurent égale- ment une plus grande souplesse en ce qui concerne la commande de la forme et de la position du plasma Le principe est si- milaire à celui utilisé pour mettre en forme des plasmas dans les expériences Doublet II-A et Doublet III Chaque bobine peut être excitée indépendamment des autres enroulements, par exemple au moyen d'une alimentation à découpage à thyristors. Dans ce cas, les bobines de champ vertical 38 sont appelées bobines d'ajustement On peut faire en sorte que les bobines d'ajustement remplissent leurs fonctions dans des boucles de contre-réaction, par l'adjonction de capteurs de champ magné- tique à la périphérie du plasma, pour détecter l'état du champ et pour réagir au moyen d'amplificateurs appropriés, afin de commander les circuits à découpage à thyristors ou d'autres alimentations. Plusieurs bobines de champ toro Tdal 58 sont dispo- sées autour du plasma, de la paroi de chambre 14, de l'enve- loppe 36, des bobines de champ vertical 38 et des bobines d'induction 46 et 48, dans le but de produire le champ magné- tique torordal qui est nécessaire pour un fonctionnement sta- ble avec une configuration de striction L Ia valeur maximale de l'intensité de champ torordal à fournirest notablement in- férieure à celle qui est nécessaire pour des plasmas de type Tokamak, comme dans l'expérience Doublet III Si le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3 fait circuler un courant de plasma toroidal de 300 k A, il suffit que les bobines de champ toroidal fournissent une intensité de champ modérée de 1,0 T ou moins On peut ainsi utiliser presque n'importe quelle structure de bobine de champ toroidal clas- sique La structure préférée facilite le démontage pour pou- voir accéder aisément à la bobine d'induction, à l'enveloppe et à la chambre L'exemple de structure qui est représenté utilise des conducteurs de cuivre 60 et 62 de section rectan- gulaire, de 0,014 m sur 0,04 m, qui sont réunlis avec des joints vissés 64 pour former une bobine de 60 spires encer- clant uniformément les composants toroidaux Soixante spires est un nombre suffisant pour qu'il n'y ait aucun problème concernant l'ondulation dans l'intensité du champ toroidal qui résulte du caractère discret des conducteurs de la bobine. Les bobines de champ toroidal 58 sont alignées par des cylindres 66 et des anneaux 68, 69, 70, 71, 72 et 74, qui sont électriquement isolants et peuvent 4 tre en fibre de ver- re ou en une autre matière plastique composite armée Les élé- ments verticaux 76 et les cylindres 66, associés aux bras ra- diaux 78 et 80, fixent fermement en place les bobines de champ toroidal Les cylindres 66 opposent également une réac- * tion à la force de compression radiale que le champ magnéti- que toro'dal exerce sur les bobines 58, tandis que les an- neaux 72 et 74 renforcent les bobines de champ toroidal 58 pour éviter qu'elles ne se courbent vers l'extérieur dans la direction du grand rayon Les anneaux 68, 69, 70 et 71 posi- tionnent et supportent les bobines 58 dans la direction verti- cale Les anneaux 68, 69, 70 et 71 sont eux-mêmes supportés par les bras radiaux 78 et 80, qui sont également de préfé- rence en matière plastique composite Les cylindres 66 et la disposition en diagonale des bras radiaux 78 et 80, comme le montre la figure 3,procurentla raideur nécessaire pour résis- ter auxmoments de retournement dans les bobines de champ to- roidal 58, qui résultent de la force d'interaction entre la composante de champ magnétique vertical provenant de la bobi- ne de champ vertical 38 et le courant dans les bobines de champ toro Mdal Les bobines de champ toroidal 58 sont exci- tées par des moyens externes non représentés, par exemple un système redresseur à courant continu fonctionnant en impul- sions, ou dans de plus petites expériences de recherche, par une batterie de condensateurs Un courant de 20,8 k A dans le conducteur en cuivre est suffisant pour générer 1,0 T. la bobine d'induction à air 84 de l'exemple consi- déré produit l'excursion de flux pour faire circuler le cou- rant torordal Le rayon extérieur de la bobine à air 84 re- présentée est de 0,15 m Lorsque cette bobine est construite enr cuivre écroui classique, l'excursion de flux possible dans le noyau est supérieureà 0,7 Wb, tandis que l'extrapolation de données expérimentales de dispositifs RFP indique qu'il suffit d'environ 0,35 Wb pour former un plasma à striction de 300 k A de cette taille On peut utiliser le flux restant de 0,35 Wb pour entretenir le courant de plasma une fois qu'il a été établi, jusqu'à ce que le flux soit consommeé par la résistance du plasma. La bobine à air 84 est supportée par le cylindre inférieur 66 sur les bras 80 la structure de tore, compre- nant la paroi de chambre 14, l'enveloppe 36, la bobine de champ vertical 38, les bobines d'induction 46 et 48 et les bobines de champ toroidal 58, est supportée sur des colonnes 96 La bobine à air centrale 84 est concentrique par rapport à l'axe principal 30 de la structure de tore. Comme il est indiqué dans la demande de brevet pré- citée concernant une configuration à strictions multiples, le comportement général de plasmas à striction contenant au moins un faible champ magtnétique toroïdal a été expliqué avec succès par J B Taylor dans la revue Phys Rev Lett 33 ( 1974), pages 1139-1141 Un tel plasma contient une hélicité magnétique K, définie par la relation: Y, f A d V ( 7) dans laquelle B est le champ magnétique, A>est le potentiel vecteur magnétiquedéfini par V X = t et t = O au niveau de l'enveloppe conductrice, et l'intégration est effectuée sur le volume toro'dal fermé D'après Taylor, un plasma peut perdre de l'énergie, par des instabilités du plasma, beaucoup plus rapidement que l'hélicité magnétique, même si le plasma a une résistivité finie Par conséquent, un plasma se déleste rapidement de son énergie en excès tout en conservant prati- quement son hélicité initiale, jusqu'à ce qu'il atteigne l'état d'énergie minimale compatible avec le paramètre K fi- xé et la configuration géométrique de l'enveloppe toroidale. Ceci est ce qu'on appelle un état relaxé, et cet état est stable aussi bien vis-à-vis des instabilités MHD idéales que des instabilités MHD résistives, du fait qu'aucune énergie libre supplémentaire n'est disponible si K n'est pas changé. Taylor a montré que l'état relaxé obéit à la condition: O Vx = ( 8) dans laquelle J>est la densité de courant et} est une cons- tante ayant la dimension (longueur) Les plasmas qui obéis- sent à l'équation ( 8) n'ont pas de gradient de pression, du fait que vp = ex-e et ils sont donc exempts de force Les solutions à l'équation ( 8) sont particulièrement simples pour des tores ayant un rapport de forme très grand, avec une sec- tion circulaire Le mode d'ordre le plus faible est alors: Bp= BOJ 1 ( 1 r) BT = B O Jo(Yr) ( 9) en désignant par J O et J 1 les fonctions de Bessel, par r le petit rayon mesuré à partir de l'axe secondaire du tore, et par B O l'intensité de champ sur cet axe Les indices P et T désignent respectivement les directions polaire et torotdale. Lorsque 1 Fr > 2,405, c'est-à-dire la première racine de JO, le champ toroidal s'inverse O la théorie de la relaxation de Taylor décrit les principales caractéristiques des plasmas RFP à section cir- culaire, telles qu'on les observe expérimentalement En par- ticulier, les plasmas tendent à approcher la configuration décrite par l'équation ( 9), indépendamment de leur état ini- tial et du procédé particulier qu'on utilise pour les pro- duire Les plasmas réels diffèrent légèrement des états 4, idéaux de Taylor, à cause de limitations inévitables et, par conséquent, on observe toujours dans toutes les expériences récentes de striction un faible niveau d'instabilité et de turbulence résiduelles Ces limitations sont principalement les suivantes: 1 Les plasmas réels doivent avoir une pression finie; en outre, on désire avoir des pressions notablement élevées pour les applications de fusion. 2 e et par conséquent J, conformément à l'équation ( 8), sont toujours grands dans des états de Taylor. Près de l'enveloppe limite, les plasmas réels sont froids et ont donc une résistance élevée, ce qui fait qu'ils sont incapables d'acheminer le courant élevé prescrit par des états de Taylor dans cette région limite. Comme dans le cas de la configuration de striction multipole de la demande de brevet précitée, un aspect prin- cipal de l'invention, indiqué dans le cadre de la description précédente, consiste à entourer par un puits magnétique un plasma central, qui peut approcher de près un équilibre de Taylor L'effet stabilisateur supplémentaire du puits a pour action d'empocher, ou au moins de réduire, l'apparition d'ins- tabilités résultant de la pression du plasma et de la région limite à faible courant On réalise ceci dans une configura- tion de puits à champ inversé avec une section en forme de goutte d'eau, comme le montrent les figures 1, 2 et 3. De façon correspondante au procédé de striction multip 3 le de la demande de brevet précitée, dans le cas d'un puits de champ inversé le procédé le plus direct pour produi- re des plasmas approchant un état de Taylor désiré est le suivant 1 On construit une enveloppe de mise en forme, en un métal conducteur, dont la forme est pratiquement identique à celle de la surface désirée du plasma. 2 Avant la formation du plasma, on établit un champ magnétique toroidal à l'intérieur du volume torordal fermé dans lequel on a fait le vide, en employant une structure appropriée de bobines de champ toroï- dal On choisit l'intensité de ce champ de façon qu'il produise à l'intérieur de l'enveloppe un flux magnétique toroidal égal au flux toroïdal de l'état de plasma désiré. 3 On injecte par n'importe quels moyens classiques le gaz qui sera ionisé pour former un plasma Faculta- tivement, on peut pré-ioniser le gaz. 4 On induit un champ électrique torordal autour du tore, à l'aide d'une bobine d'induction externe Un champ électrique élevé, de façon caractéristique su- périeur à 100 V/m, est initialement nécessaire pour ioniser complètement le gaz et faire circuler le courant toroidal avec le niveau correspondant à l'état désiré. Une fois que l'état désiré est établi, on l'entre- tient en diminuant le champ électrique induit jus- qu'à une valeur juste suffisante pour maintenir la circulation du courant toroidal dans la résistance électrique du plasma, soit de façon caractéristique une valeur inférieure ou égale à 10 V/m On peut laisser entrer lentement le gaz dans la chambre pour compenser le gaz adsorbé par les parois en métal, comme il est maintenant habituel dans la technique des plasmas. 6 La forme de la surface de flux ne change pas radica- lement lorsqu'on change le rapport d'amplitude de mode On peut donc utiliser une seule enveloppe de mise en forme 36 pour étudier un continuum d'équili- bres voisins, en ajustant magnétiquement les condi- tions aux limites au moyen de courants faibles cir- culant dans les bobines de champ vertical 38, à l'extérieur de l'enveloppe. 7 Du fait qu'aucun transformateur ne peut induire indéfiniment une force électromotrice, la décharge dans le plasma finit par se terminer On augmente la durée de la décharge en augmentant la variation de flux possible du transformateur. On peut calculer des équilibres d'un plasma toroï- dal à symétrie axiale avec une pression de plasma finie et une densité de courant torofdal générale spécifiée JT = JT(Y) en résolvant l'équation de Grad-Shafranov: 2 V:}"ob JT ( 10) avec: R = distance radiale à partir de l'axe principal z = distance verticale à partir du plan médian 32 /21 r= flux polaire 62 1 6 ( 2 2 e= + " 12 =R 2 R + ôz 2 En outre, BR = q B = 1 4 ' BR R dz ' z R ( 11) B 2 = (BR + Bz) 1/2 T ( 12) BT df +__ JT = d L + Rd ( 13) d BP? df Bo, df ( 14) en désignant par Jp la densité de courant polaire et par BR et B les composantes du champ magnétique en coordonnées cy- z lindriques. On peut spécifier arbitrairement les fonctions de pression et de champ toroidal p(W) et f(') Cependant, toutes ces solutions d'équilibre ne sont pas stables Les états de Taylor obéissant à l'équation ( 8) sont stables sous la forme de strictions à l'intérieur d'une enveloppe conduc- trice Les équations ( 10) à ( 14) fournissent des états de Taylor toroidaux lorsque dp/df = O et df/d y = p, paramètre de Taylor On peut incorporer des écarts réalistes par rap- port à l'état de Taylor idéal en utilisant une pression finie et une quantité df/dy qui est virtuellement constante à l'intérieur du plasma et devient faible ou nulle au bord, ce qui force à évoluer de la même manière conformément aux équations ( 13) et ( 14) Les surfaces de flux magnétique de la figure 1 sont tracées à partir d'une solution numérique de l'équation de Grad-Shafranov avec une pression finie, mais avec df/d y lc( 1) = (V yt)/( c b)' avec yc = valeur centrale de t (sur l'axe elliptique) et (b = valeur limite de Y Pour la figure 1, le rapport de forme A est 2,6, Mc = 5,7/A, dp/d W O et N = 7 L'exposant N = 7 donne une quantité J/B du genre Taylor presque jusqu'à l'in- version de champ, mais le courant est rapidement atténué à l'extérieur de l'inversion Les figures 5 a et 5 b montrent des tracés de q, BT, JT et + 2 jop déduits de cette solution numérique, en fonction de R, en passant par l'axe elliptique 20 pour Ro = 0,65 m et Ip = 300 k A, qui sont les paramètres pour l'exemple de dispositif représenté sur les figures 2 et 3 Le champ toro 5 dal est fortement inversé, ce qui donne le profil de q inversé, du genre de la configuration RFP Les minimums locaux de + 21 op qu'on voit sur la figure 5 a sont la preuve de l'existence du puits magnétique moyen. L'invention permet ainsi d'obtenir le puits magnétique désiré avec une distribution de courant de plasma réaliste et avec une pression finie, en utilisant une mise en forme de la sec- tion du plasma et une combinaison d'un champ magnétique to- rotdal fortement inversé et d'un faible rapport de forme. On peut également expliquer en termes qualitatifs simplifiés l'apparition d'un puits magnétique moyen dans la configuration à puits de champ inversé Une conséquence de la symétrie axiale consiste en ce que le produit du champ toroidal par le grand rayon, BTR, demeure constant sur n'im- porte quelle surface magnétique donnée Cette condition est exprimée par l'équation ( 12) Dans les systèmes de confine- ment magnétique toroidaux de l'art antérieur les plus cou- rants, c'est-à-dire les familles du Tokamak et du Stellara- tor, le champ magnétique toroïdal est fortement supérieur au champ polaire, ce qui fait qu'on ne peut obtenir un puits ma- gnétique moyen qu'en faisant varier les positions relatives du grand rayon moyen Z R > de surfaces magnétiques voisines. Pour la configuration de striction par champ inversé à faible rapport de forme, la forme en goutte d'eau du mode de réali- sation représenté sur les figures 1, 2, 3 et 4 a permet une variation similaire de la position du grand rayon moyen 4 R > de surfaces magnétiques voisines Lorsque B Tli)B}Su près de la surface du plasma dans la configuration de puits à champ inversé, B 2 BT, et la variation de ZR'> produit le puits magnétique moyen. Il est avantageux de mettre en oeuvre l'invention en prenant le rapport entre le courant de plasma toroidal et le champ magnétique, ou le paramètre p des canaux de courant de striction en termes de la théorie de Taylor, de façon que le champ torordal soit inversé sur le tiers extérieur, envi- ron, des surfaces de flux Ceci donne un champ toroidal in- versé près de la surface du plasma qui est supérieur au champ polaire la variation de t RY de surfaces magnétiques voisines de la forme en goutte d'eau crée alors le puits magnétique Ceci est représenté sur la figure 5 a La présen- ce des minimums dans la représentation de B 2 > + 2 Ftp indi- que la présence d'un puits magnétique moyen dans le plasma. On peut faire varier les positions relatives de l'inversion et du puits pour obtenir le meilleur confinement du plasma pour une structure particulière, d'une manière déterminée empiriquement. Dans le confinement avec striction par champ in- versé de l'art antérieur, on considérait qu'une enveloppe conductrice prcche du plasma constituait une exigence obli- gatoire pour la stabilité du plasma Le rôle essentiel de l'enveloppe est de résister par l'effet de courants images aux instabilités de non linéarité de grande longueur d'onde du plasma, susceptibles de refroidir le plasma chaud contre la paroi de la chambre du dispositif Cependant, les courants imagesdécroissent exponentiellement à une vitesse caractéris- tique approximativement égale à env On prévoit donc que des décharges de type RFP durant plus longtemps d'envi- ron C'env puissent nécessiter un système de réaction comple- xe pour empêcher une telle instabilité de non linéarité Ce- pendant, le champ externe, en particulier la fraction qui est générée par des courants dans des conducteurs de bobine de champ vertical près du plan médian 32, s'oppose aux déplace- ments du canal de courant de plasma 10 dans la direction z comme dans la direction R Par conséquent, il peut Ctre pos- sible d'éliminer l'enveloppe conductrice 36 dans certaines conditions, sans entraîner une instabilité du plasma, ce qui procure une plus grande souplesse de conception et un dispo- sitif plus simple Dans ce cas, la mise en forme du plasma pour lui donner la configuration de striction à puits à champ inversé s'effectuerait entièrement au moyen des bobines exter- nes 38 ou d'équivalents de celles-ci. L'invention procure donc un procédé et un dispositif pour confiner magnétiquement des plasmas toroïdaux du genre à striction par champ inversé, avec un puits magnétique moyen limitant le plasma L'invention approche étroitement un état de striction de Taylor stable idéal La position du puits ma- gnétique moyen conforme à l'invention est définie de façon à exercer une influence stabilisatrice sur des instabilités créées par la pression du plasma, en particulier dans le tiers extérieur du volume du plasma La position du puits magnétique moyen est également favorable pour l'amélioration d'effets qui résultent des courants de plasma réduits près de la limite du plasma, par comparaison avec l'état de Taylor stable idéal. Par conséquent, on peut prévoir des avantages consistant en une plus grande stabilité et/ou en un plus grand p, ce au'on désigne par l'expression générique "meilleur confinement du plasma", par rapport aux dispositifs RFP de l'art antérieur qui ne comportent pas un puits magnétique moyen. Bien que les aspects originaux d'un dispositif de confinement magnétique de plasma conforme à l'invention aient été montrés dans un mode de réalisation préféré, de nombreu- ses modifications et variantes peuvent être apportées, sans sortir du cadre de l'invention, en ce qui concerne la forme, la taille et les intensités de champ et de courant, ainsi que dans l'application d'autres procédés et techniques bien con- nus dans la technique des plasmas et de la fusion Par exem- ple, on peut concevoir les bobines de champ vertical 38 de façon qu'elles fonctionnent avec un noyau de fer, et on peut augmenter le nombre d'axes magnétiques hyperboliques En ou- tre, on peut construire l'enveloppe conductrice 56 avec des moitiés supérieure et inférieure séparées et électriquement isolées l'une de l'autre au niveau de leur jonction dans le plan médian, ce qui permettrait, si on le désirait, de faire fonctionner la configuration de striction dans le mode d'in- version assistée, qui est bien connu dans l'art antérieur. Le dispositif peut également comporter divers auxiliaires bien connus des dispositifs à plasmas et de fusion, comme des alimentations, des pompes à vide, de l'instrumentation, des structures d'isolation thermique, des échangeurs de chaleur, des structures de support et des systèmes de commande Le mode de réalisation particulier qui est décrit est conçu dans un but expérimental et de recherche Des modes de réalisation à plus grande échelle destinés à produire une fusion et de l'énergie nécessiteront vraisemblablement de tels auxiliaires ainsi que d'autres. REVENDICATIONS 1 Procédé pour générer et contenir un plasma dans une configuration de striction par champ inversé avec un puits magnétique, caractérisé en ce que: on génère un plas- ma toroidal dans une chambre toroïdale ayant un axe torotdal principal ( 30) et un axe toroldal secondaire et un faible rapport de forme; on fait passer un courant dans ce plasma dans la direction dans laquelle s'étend l'axe torordal secon- daire, pour former dans le plasma une configuration de stric- tion par champ magnétique fortement inversé, qui génère un ensemble de surfaces de flux magnétique ( 24) fermées et em- boîtées définissant un axe magnétique elliptique ( 20) à l'in- térieur du plasma, s'étendant dans la direction de circula- tion du courant, et qui produit un facteur de sécurité q qui change de signe à l'intérieur du plasma sur la surface de flux au niveau de laquelle la composante du champ magnétique * dans la direction dans laquelle s'étend l'axe toroidal secon- daire change de signe; et on génère au moins un axe magné- tique hyperbolique ( 27) à l'extérieur de la quasi-totalité du plasma et entre l'axe magnétique elliptique ( 20)et l'axe to- rordal principal ( 30), pour former un puits magnétique moyen englobant la quasi-totalité du plasma - 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme un puits magnétique moyen en faisant en sorte que la composante du champ magnétique dans la direction de l'axe toroidal secondaire s'étende pratiquement de la même manière qu'un champ magnétique dans le vide à l'intérieur du plasma, à l'extérieur de la surface de flux ( 24) sur laquelle l'injection du champ magnétique a lieu. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de forme est inférieur à environ 6. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les axes magnétiques hyperboliques ( 27) et l'axe magnétique elliptique ( 20) sont pratiquement coplanaires. 5 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de forme est inférieur à environ 6. 6 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le ou les axes magnétiques hyperboliques ( 27) et l'axe magnétique elliptique ( 20) sont pratiquement coplanai- res. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le ou les axes magnéti- ques hyperboliques ( 27) sont situés près de la surface du plasma pour déformer cette surface vers l'axe torordal prin- cipal ( 30). 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le puits est formé pratiquement au niveau d'une surface de flux magnétique ( 24) à l'intérieur du plasma o le facteur de sécurité q est notablement inférieur à zéro. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on définit la forme et la position des surfaces de flux magnétique ( 24) à l'aide de moyens ( 36, 38) externes au plasma. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le puits est formé pratiquement au niveau d'une surface de flux magnétique ( 24) à l'intérieur du plasma o la valeur absolue du facteur de sécurité q est supérieure à sa valeur absolue en n'importe quel point à l'intérieur de la surface de flux magnétique sur laquelle se prcduit l'in- version de champ magnétique. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on définit la forme et la position des surfaces de flux magnétique ( 24) à l'aide de moyens ( 36, 38) externes au plasma. 12 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on définit la forme et la position des surfaces de flux magnétique ( 24) à l'aide de moyens ( 36, 38) externes au plasma. 13.Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce qu'on définit la forme et la position des surfaces de flux magnétique à l'aide de moyens ( 36, 38) externes au plasma. 14 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le puits est formé prati- quement au niveau d'une surface de flux magnétique ( 24) à l'intérieur du plasma o le facteur de sécurité q est nota- blement inférieur à zéro. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on définit la forme et la position des surfaces de flux magnétique ( 24) à l'aide de moyens ( 36, 38) externes au plasma. 16 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions l à 6, caractérisé en ce que le puits est formé prati- quement au niveau d'une surface de flux magnétique ( 24) à l'intérieur du plasma o la valeur absolue du facteur de sé- curité q est supérieure à sa valeur absolue en n'importe quel autre point à l'intérieur de la surface de flux magnétique sur laquelle se produit l'inversion du champ magnétique O 17 Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'on définit la forme et la position des surfaces de flux magnétique ( 24) à l'aide de moyens ( 36, 38) externes au plasma. 18 Dispositif destiné à générer et à contenir un plasma avec une configuration de striction par champ inversé, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 14, 36) défi- nissant une chambre toroidale ayant un axe toroidal principal ( 30) et un axe toroidal secondaire et un faible rapport de forme; des moyens destinés à générer un plasma à l'intérieur de la chambre; des moyens destinés à faire circuler un cou- rant dans le plasma dans la direction dans laquelle s'étend l'axe toroidal secondaire, pour former dans le plasma une configuration de striction par champ magnétique fortement inversé qui génère un ensemble de surfaces de flux magnéti- que ( 24) fermées et emboîtées, définissant un axe magnétique elliptique ( 20) à l'intérieur du plasma qui s'étend dans la direction de circulation du courant et qui produit un facteur de sécurité q qui change de signe à l'intérieur du plasma au niveau d'une surface de flux magnétique ( 24) o la composante du champ magnétique dans la direction dans laquelle s'étend l'axe secondaire change de signe; et des moyens destinés à générer au moins un axe magnétique hyperbolique ( 27) à l'ex- térieur de la quasi-totalité du plasma et entre l'axe magné- tique elliptique ( 20) et l'axe toroïdal principal ( 30), pour former un puits magnétique moyen englobant la quasi-totalité du plasma. 19 Dispositif selon la revendication 18, caracté- risé en ce que la chambre et le courant dans le plasma ont pratiquement unesymétrie axiale par rapport à l'axe princi- pal ( 30) de la chambre. 20 Dispositif selon la revendication 18, caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens ( 36, 38), externes au plasma, destinés à définir la forme et la position des sur- faces de flux magnétique ( 24). 21 Dispositif selon la revendication 20, caracté- risé en ce que les moyens destinés à définir la formes et la position des surfaces de flux magnétique comprennent une en- veloppe conductrice de l'électricité ( 36) ayant la forme dé- sirée pour le plasma. 22 Dispositif selon la revendication 20, caracté- risé en ce que les moyens destinés à définir la forme et la position des surfaces de flux magnétique comprennent des bo- bines de champ vertical (,8) - 23 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 18 à 22, caractérisé en ce que le rapport de forme est inférieur à environ 6. 24 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 18 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens destinés à former le puits pratiquement au niveau d'une sur- face de flux magnétique ( 24) à l'intérieur du plasma o le facteur de sécurité q est notablement inférieur à zéro. Dispositif selon la revendication 24, caracté- risé en ce que le rapport de forme est inférieur à environ 6. 26 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 18 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens destinés à former le puits pratiquement au niveau d'une sur- face de flux magnétique ( 24) à l'intérieur du plasma o la valeur absolue du facteur de sécurité q est supérieure à sa valeur absolue en n'importe quel autre point à l'intérieur de la surface de flux magnétique sur laquelle se produit l'inversion de champ magnétique. 27 Dispositif selon la revendication 26, caracté- risé en ce que le rapport de forme est inférieur à environ 6. 28 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 18 à 22, caractérisé en ce que les moyens destinés à générer au moins un axe magnétique hyperbolique ( 27) sont ca- pables de générer cet axe à une distance ne dépassant pas un petit rayon par rapport à la surface du plasma ( 28), de façon à déformer la surface du plasma vers l'axe toroïdal principal ( 30). 29 Dispositif selon la revendication 28, caracté- risé en ce que le rapport de forme est inférieur à environ 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 18 à 22, caractérisé en ce que les moyens destinés à générer au moins un axe magnétique hyperbolique ( 27) sont ca- pables de générer cet axe dans une position pratiquement co- planaire par rapport à l'axe magnétique elliptique ( 20). 31 Dispositif selon la revendication 30, caracté- risé en ce que le rapport de forme est inférieur à environ 6. 32.,Dispositif à plasma, à configuration de stric- tion par champ inversé, avec un puits magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend une structure de paroi ( 14) formant une chambre toroidale ayant un axe torordal principal ( 30) et un axe toroidal secondaire et un faible rapport de forme; et des moyens destinés à générer un plasma à l'intérieur de la chambre, en maintenant un facteur de sécurité q qui change de signe à l'intérieur du plasma, et à produire un puits ma- gnétique moyen englobant la quasi-totalité du plasma, ces moyens comprenant des moyens destinés à faire circuler un courant à travers le plasma dans un canal de courant de striction ( 10) disposé à l'intérieur du plasma et s'étendant dans la direction dans laquelle s'étend l'axe torordal se- condaire, ce canal contenant un ensemble de surfaces magné- tiques fermées et emboîtées ( 24) définissant un axe magnéti- que elliptique ( 20) dans la direction de circulation du cou- rant, et des moyens destinés à générer au moins un axe magné- tique hyperbolique ( 27) à l'extérieur de la quasi-totalité du plasma et entre le canal ( 10) et l'axe toroidal principal- ( 30).