THERMONUCLÉAIRE ÉNERGIE

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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

Tore avec lignes de forces et dérive des particules chargées

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Section du tore où sont représentées les lignes de forces (à gauche) et la dérive des particules chargées (à droite) dans un champ magnétique B purement toroïdal. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Principe de la configuration magnétique d'un tokamak

Principe de la configuration magnétique d'un tokamak

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Principe de la configuration magnétique d'un tokamak, les lignes de forces du champ magnétique étant hélicoïdales et s'enroulant sur des surfaces magnétiques concentriques. 

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Lorsque l'intensité du cham [...]


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Nucléon : énergie de liaison

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Fusion : réactions nucléaires

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Réacteur de fusion deutérium-tritium

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Tore avec lignes de forces et dérive des particules chargées

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Pour citer l’article

Robert DAUTRAY, Pascal GARIN, Michel GRÉGOIRE, Guy LAVAL, Jean-Paul WATTEAU, Joseph WEISSE, « THERMONUCLÉAIRE ÉNERGIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2020. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/energie-thermonucleaire/