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THERMONUCLÉAIRE ÉNERGIE

La fusion par confinement magnétique. Le tokamak

Le confinement magnétique

Dans un champ magnétique B uniforme, la trajectoire d'une particule chargée est une hélice dont le centre de giration suit la ligne de force. La rotation autour de la ligne de force se fait à la pulsation cyclotronique ω = AB/M, où A est la charge et M la masse de la particule.

Le mouvement est borné dans la direction perpendiculaire au champ par l'amplitude du rayon de giration :

v⊥ est la vitesse de la particule perpendiculaire au vecteur B ; pour un ion deutérium « thermonucléaire », ρ ≃ 1 cm.

Le mouvement est libre le long des lignes de force et, par conséquent, le confinement n'est pas assuré. Pour qu'une réaction de fusion se produise, l'ion doit parcourir en moyenne un millier de kilomètres dans le milieu fusible sans contact avec les parois matérielles. Dans un champ magnétique non uniforme, le centre de giration de la particule est soumis lui-même à une vitesse de dérive proportionnelle à B ∧ →∇B, c'est-à-dire perpendiculaire à la fois à la ligne de force et au gradient du champ.

Du fait de cette dérive, les configurations magnétiques qui s'imposent en première analyse, les configurations magnétiques fermées, ne pourront pas prendre la forme toroïdale la plus simple, dans laquelle les lignes de force sont des cercles toroïdaux concentriques. Le module du champ y varie en effet comme 1/R (R est la distance à l'axe du tore), et la vitesse de dérive verticale que subissent les particules les fait sortir rapidement de la zone utile de la configuration (fig. 4). Cet effet de dérive peut être compensé en modifiant les lignes magnétiques par l'addition d'une composante de champ poloïdale (fig. 5). Chaque ligne de force prend alors la forme d'une hélice enroulée sur le tore qui engendre une surface torique fermée, appelée surface magnétique. Cette situation peut être créée soit entièrement par des courants extérieurs convenablement répartis (configuration stellarator), soit plus simplement, en faisant circuler un courant toroïdal dans le plasma (configuration tokamak).

Tore avec lignes de forces et dérive des particules chargées - crédits : Encyclopædia Universalis France

Tore avec lignes de forces et dérive des particules chargées

Encyclopædia Universalis France

Principe de la configuration magnétique d'un tokamak - crédits : Encyclopædia Universalis France

Principe de la configuration magnétique d'un tokamak

Encyclopædia Universalis France

Lorsque l'intensité du champ varie le long d'une ligne de force, une force de rappel ramène les particules vers la zone de champ faible. Il est ainsi possible de piéger entre deux zones de champs forts, appelées «  miroirs magnétiques », les particules dont la vitesse v⊥ perpendiculaire aux lignes de champ est suffisante. La condition, ainsi définie, s'écrit au fond de la « b

outeille magnétique » (partie centrale entre les deux miroirs) :v∥ est la vitesse parallèle aux lignes de champ au fond de la bouteille magnétique, Bmin et Bmax sont les modules du champ au fond de la bouteille et en haut des miroirs. Cette propriété a servi de base aux études d'une autre classe de configurations magnétiques de confinement non toroïdales, dites configurations ouvertes. Elle intervient également de façon fondamentale dans le confinement des systèmes toroïdaux, car le module du champ n'est pas uniforme le long des lignes de force qui définissent ces systèmes.

À partir de ces principes généraux, une étude systématique des différentes configurations magnétiques potentiellement possibles pour le confinement des plasmas chauds a été faite. Dès 1969, à la suite des travaux soviétiques dirigés par l'académicien Lev Artsimovitch à l'institut Kurchatov de Moscou, la configuration tokamak s'avère la plus prometteuse. La stratégie du réacteur de démonstration est désormais fondée sur ce principe.

Dans la configuration tokamak (fig. 6), le champ toroïdal BT, créé par des bobinages extérieurs à la configuration, est par nature axisymétrique (axe z). Il est strictement équivalent dans la zone utile au champ qui serait produit par un courant rectiligne infini confondu avec l'axe [...]

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Pour citer cet article

Robert DAUTRAY, Pascal GARIN, Michel GRÉGOIRE, Guy LAVAL, Jean-Paul WATTEAU et Joseph WEISSE. THERMONUCLÉAIRE ÉNERGIE [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Nucléon : énergie de liaison - crédits : Encyclopædia Universalis France

Nucléon : énergie de liaison

Encyclopædia Universalis France

Fusion : réactions nucléaires - crédits : Encyclopædia Universalis France

Fusion : réactions nucléaires

Encyclopædia Universalis France

Réacteur de fusion deutérium-tritium - crédits : Encyclopædia Universalis France

Réacteur de fusion deutérium-tritium

Encyclopædia Universalis France

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Autres références

  • ÉNERGIE - La notion

    • Écrit par Julien BOK
    • 7 543 mots
    • 4 médias
    ...Ainsi deux types de réactions nucléaires peuvent libérer de l'énergie : la fission de noyaux lourds (A > 200) en noyaux plus légers ou la fusion de noyaux légers (A = 1 par exemple) en noyaux plus lourds. Ce sont ces deux réactions qui sont utilisées pratiquement : la fission de l'...

  • ÉTOILES

    • Écrit par André BOISCHOT, Jean-Pierre CHIÈZE
    • 13 456 mots
    • 8 médias
    ...énergie, suivant la loi d'Einstein W = mc2, mais le processus de cette transformation était ignoré. C'est Hans Bethe qui montra, en 1939, que la source principale d'énergie, pour la majorité des étoiles, était due à la réaction transformant quatre atomes d'hydrogène en un atome...

  • GRAVITATION ET ASTROPHYSIQUE

    • Écrit par Brandon CARTER
    • 8 922 mots
    • 3 médias
    ...d'énergie, non seulement dans le Soleil, mais dans toutes les étoiles de la séquence principale, est fournie par la conversion de l'hydrogène en hélium par combustion thermonucléaire ; cette réaction s'effectue à la cadence requise pour avoir une température centrale située dans la gamme déduite de l'équation...

  • MATIÈRE (physique) - Plasmas

    • Écrit par Patrick MORA
    • 7 620 mots
    • 4 médias
    ...hydrogène, ou bombes H, ou bombes thermonucléaires, premier exemple de réalisation sur Terre (en 1951) de réactions de fusion pour produire de l'énergie. L'utilisation des réactions de fusion à des fins civiles, comme source quasi inépuisable d'énergie, est à l'origine de l'intensification ultérieure des...
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Voir aussi

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