vendredi 9 octobre 2015

Disruption (tokamak)

Dans le domaine de la physique nucléaire, de la magnétohydrodynamique et de la physique des plasmas, et plus précisément dans les processus à l'œuvre dans les tokamaks en fonctionnement, on appelle disruption l'apparition brutale d'instabilités magnétohydrodynamiques dans la chambre de confinement.

Manifestation[modifier | modifier le code]

Parfois comparées à un bref coup de foudre se produisant entre le plasma et les parties matérielles de l'installation, la disruption conduit « à la perte totale du confinement du plasma en quelques millisecondes » (ce confinement magnétique est nécessaire au contrôle du plasma, à ce jour pour étudier ces plasmas ou étudier la possibilité de la production d'énergie par fusion nucléaire, et demain si la filière ITER se montrait viable pour produire de la chaleur et/ou de l'électricité à partir de la fusion nucléaire).

Histoire[modifier | modifier le code]

Les disruptions sont des phénomènes connus depuis la réalisation des premiers tokamaks.
« Elles peuvent provoquer des dégâts considérables sur les structures des machines, par des dépôts thermiques localisés, des forces de Laplace dans les structures et par la génération d’électrons de haute énergie dits découplés pouvant perforer les éléments internes » d'un tokamak1.
Leur ampleur devrait augmenter avec la puissance des nouvelles générations de tokamaks. Bien que des précautions soient prises pour réduire leurs occurrence et importance et effets, selon deux thèses récentes (Reux, 20101, Thornton, 20112) plus un tokamak est puissant, plus les instabilités du plasma risquent d'avoir des conséquences importantes. Chaque génération de tokamak utilise un ampérage plus important ou cherche à produire plus d'énergie.
En cas de disruption dans Iter, une brève décharge pourrait atteindre environ 11 millions d'ampères appliqués en une sorte de coup de foudre sur une surface de quelques dizaines de cm, avec le risque de détruire le matériau de couverture de manière bien plus importante que dans les premiers tokamaks expérimentaux, voire l'étanchéité du tore. Selon la thèse de Andrew Thornton qui a suivi celle de Reux, « Les disruptions dans les tokamaks de la prochaine génération créeront des dommages sévères, et de nature catastrophique dans les tokamaks de puissance »(qui devraient suivre ITER)2.
Dans les conditions actuelles du savoir et de la technique, il semble impossible d'empêcher les disruptions dans les tokamaks, on s'oriente donc vers leur détection la plus rapide possible et leur gestion et atténuation.
Une alternative parfois proposée est de développer les stellarators, qui adoptent une configuration de chambre à fusion de forme analogue au tokamak3, mais sans courant circulant dans le plasma.

Les étapes d'une disruption[modifier | modifier le code]

Selon Reux, la disruption majeure se déroule en trois grandes parties1,
  • une phase prédisruptive de quelques millisecondes à quelques centaines de millisecondes (selon la puissance du tokamak et la cause de la croissance d'instabilités MHD) Une hypothèse est que des îlots magnétiques apparaissent de temps à autre dans le champ magnétique. Ils rendent le champ instable et le détruisent s'ils s'élargissent trop et se recouvrent ou créent une ergodisation des lignes de champ. On dit que le système passe en mode de déchirement résistif (tearing mode, pour les anglophones) correspondant à une "instabilité résistive" se couplant à des modes de nombre d’onde m plus élevés et/ou portant le plasma à proximité des limites de stabilité MHD recherchée. Des interactions (de type non linéaires) se produisent probablement avec les courants de bootstrap (générés par le gradient de pression)6, des effets de courbure du plasma7, des contraintes induites par particules rapides ou moyens de chauffage utilisés pour modifier le comportement des îlots (génération de courant ou de chauffage par ondes cyclotroniques électroniques1.
  • une phase de disjonction thermique (ou « quench thermique » correspondant à un brutal effondrement de la température (à quelques eV. Il y a effacement subit du contenu thermique du plasma, en quelques dizaines de microsecondes à quelques millisecondes (temps dépendant de la taille du tokamak et de son plasma). Cette phase correspond à la rupture topologique quasiment subite du confinement magnétique ; toute l’énergie thermique qui était concentrée dans le plasma est alors brutalement dispersée et absorbée par la paroi de la chambre (choc thermique) ou transformée en rayonnement1.
  • une phase de disjonction de courant (ou « quench de courant » correspondant à une chute brutale de l’inductance interne du plasma). Elle se produit alors que l'énergie magnétique du plasma n'a pas pu se dissiper aussi brièvement que le temps de la disjonction thermique, ce qui se traduit par un bref ressaut de courant (5 à 20 % du courant initial selon Wesson8, sachant que la résistivité du plasma a brutalement augmenté avec son refroidissement, ne lui permettant plus de porter le courant plasma, le libérant (en quelques millisecondes à quelques centaines de millisecondes). L'énergie magnétique (fonction du courant et de la taille du plasma) est alors également brutalement dissipée, par rayonnement d'une part et via de puissants courants induits et de halo1. Cet effondrement du courant « s’accompagne d’un champ électrique toroïdal auto-induit »susceptible d'accélérer les électrons du reste du plasma jusqu’à les rendre non-collisionnels et former un faisceau d’électrons relativistes dits découplés, très énergétiques (contenant jusqu'à plus de 50 % du courant plasma et représentant une part importante de l’énergie magnétique1. Ces courants peuvent déformer ou endommager certains éléments de la paroi de la chambre du tokamak (modulaires pour pouvoir être remplacés plus facilement).

Réutiliser la page Disruption (tokamak)

Sur un site internet

Capture d'écran: https://fr.wikipedia.org/wiki/Disruption_(tokamak)


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