Le projet ITER avance vers la faisabilité de l'énergie de fusion

Le Réacteur Thermonucléaire Expérimental International (ITER) est un gros projet international qui vise à démontrer la faisabilité de la fusion nucléaire comme source d'énergie. Il est situé en France et implique la collaboration de plusieurs pays. Le projet cherche à reproduire les processus qui alimentent le soleil pour produire une énergie propre et durable. Une des phases clés du programme ITER est l'Opération de Puissance Pré-Fusion (PFPO), qui est essentielle pour tester divers systèmes et se préparer pour les futures campagnes expérimentales.

#Opération de Puissance Pré-Fusion (PFPO)

La PFPO est une phase conçue pour préparer le tokamak ITER aux expériences de fusion à grande échelle. L'objectif est de montrer que le réacteur peut fonctionner de manière sûre et efficace. Cette phase comprendra des tests de plusieurs systèmes importants, comme le chauffage et la conduite de courant, l'injection de carburant et des outils de diagnostic. La PFPO implique deux étapes principales :

1. PFPO-1 : Cette étape fonctionnera avec au moins 20 mégawatts (MW) de chauffage par résonance cyclotronique électronique (ECRH) et impliquera un ensemble sélectionné de systèmes de diagnostic.

2. PFPO-2 : Cette étape prévoit un fonctionnement complet avec toutes les ressources disponibles, y compris un niveau plus élevé d'ECRH, une injection de faisceau neutre (NBI) et des méthodes de chauffage supplémentaires.

Les deux phases utiliseront du plasma d'hydrogène ou d'hélium pour maintenir l'opération inerte et minimiser la production de neutrons. L'objectif est d'atteindre un fonctionnement stable du plasma d'hydrogène pendant cette phase.

#L'Importance de l'Atténuation des ELM

Pendant l'opération du tokamak ITER, des défis spécifiques doivent être abordés. Un de ces défis est la gestion efficace des Modes Localisés de Bord (ELM). Les ELM sont des instabilités qui peuvent survenir dans le plasma et peuvent endommager les murs du réacteur si elles ne sont pas contrôlées. Par conséquent, pendant la PFPO, des systèmes qui peuvent aider à atténuer les ELM doivent être mis en place.

Pour gérer efficacement les ELM, un fonctionnement stable dans ce qu'on appelle les ELM de type-I est nécessaire. Atteindre cette stabilité nécessite souvent une quantité significative de puissance auxiliaire. Pendant les premières phases de la PFPO, seuls des plasmas d'hydrogène ou d'hélium sont utilisés, car ils produisent une activité neutronique minimale.

#Seuils de Puissance et Défis

Un des défis majeurs lors de l'opération du plasma d'hydrogène est le seuil de puissance L-H. Ce seuil est la quantité minimale de puissance nécessaire pour faire passer le plasma du mode Bas (L) au mode Haut (H). Il a été déterminé que l'hydrogène a un seuil de puissance L-H plus élevé comparé au deutérium, ce qui signifie que plus de puissance est souvent nécessaire pour maintenir une opération stable.

Des investigations initiales ont suggéré qu'environ 30 MW de puissance ECRH sont nécessaires pour un fonctionnement stable du plasma d'hydrogène, alors que le plan initial ne prévoyait que 20 MW. Il est crucial d'explorer si les systèmes de puissance auxiliaire disponibles peuvent soutenir cette demande accrue.

#Rôle de l'Hélium dans la Réduction des Seuils de Puissance

Fait intéressant, des expériences passées ont indiqué qu'introduire une petite fraction d'hélium peut réduire significativement le seuil de puissance L-H pour le plasma d'hydrogène. Cela signifie que si une minorité d'hélium est présente, les exigences de puissance pour maintenir la stabilité pourraient être diminuées.

Les scénarios clés examinés pendant la PFPO se concentrent sur différentes configurations de plasma : spécifiquement, des scénarios de plasma d'hydrogène de 5 MA/1.8 T et de 7.5 MA/2.65 T. Lorsque l'hélium est introduit dans le scénario de 7.5 MA, on prévoit qu'un fonctionnement stable peut être atteint même avec une puissance de chauffage auxiliaire plus faible.

#Modélisation Intégrée

Des techniques de modélisation intégrée sont utilisées pour analyser ces scénarios efficacement. Un des outils utilisés pour cette analyse est JINTRAC, un modèle complet qui simule l'ensemble de l'environnement plasma, prenant en compte la dynamique du plasma central et le comportement de la bord et de la couche d'évacuation.

Le processus de modélisation implique de créer un agencement géométrique pour simuler avec précision différentes conditions de plasma. Les prédictions faites par la modélisation aident à optimiser la conception et le fonctionnement du tokamak ITER.

#Systèmes de Chauffage et de Conduite de Courant

Chaque scénario de plasma a des exigences différentes en matière de chauffage. Les méthodes de chauffage combinent des systèmes ECRH et NBI :

• Dans PFPO-1 (scénario 5 MA/1.8 T), seul le chauffage par résonance cyclotronique électronique est utilisé, car le NBI ne sera pas disponible.

• Dans PFPO-2 (scénario 7.5 MA/2.65 T), les chauffages ECRH et NBI seront utilisés pour fournir l'énergie nécessaire pour maintenir un plasma stable.

Comme les schémas ECRH sont plus efficaces sous certaines conditions, ils jouent un rôle crucial dans l'atteinte de l'état de plasma souhaité.

#Transition du Mode L au Mode H

La transition du mode L au mode H est un processus critique en physique du plasma. Le mode L est caractérisé par un confinement relativement faible, tandis que le mode H présente un meilleur confinement et une meilleure stabilité. Atteindre cette transition dépend fortement de la capacité à dépasser le seuil de puissance L-H.

Les lois d'échelle établies à partir d'expériences précédentes aident à prédire le seuil de puissance pour différentes compositions et conditions de plasma. Ces prédictions guident les stratégies opérationnelles utilisées pendant la PFPO.

#Stratégies de Carburant

Pour maintenir le plasma, des stratégies de carburant sont employées. Pour les plasmas de faible densité, le puffage de gaz hydrogène est généralement suffisant. Cependant, à des densités plus élevées, il y a un risque de détachement, ce qui pourrait perturber la stabilité du plasma. Pour atténuer ce risque, des combinaisons de puffage de gaz et d'injection de pellets sont explorées.

L'injection de pellets aide à atteindre des densités de plasma plus élevées, augmentant les chances d'atteindre un mode H stable.

#Gestion des Impuretés

Gérer les impuretés dans le plasma est un autre aspect important des opérations d'ITER. Pour améliorer l'arrêt du faisceau pendant le chauffage NBI, une petite concentration de néon pourrait être introduite. Cela augmente l'efficacité des systèmes NBI tout en cherchant à maintenir la stabilité dans le plasma.

L'objectif pour la gestion des impuretés est de trouver le bon équilibre, en veillant à ce que les niveaux soient suffisamment bas pour ne pas interférer avec les opérations du plasma tout en atteignant les effets de refroidissement nécessaires.

#Résumé des Scénarios

Une gamme de scénarios a été modélisée, ajustant divers paramètres, y compris les niveaux de chauffage auxiliaire et la présence d'hélium. Chaque scénario vise à aborder les différents défis rencontrés lors des opérations d'ITER :

1. Plasma d'Hydrogène 5 MA/1.8 T avec 30 MW ECRH : Ce scénario examine le fonctionnement sans hélium ajouté et enquête sur la suffisance du chauffage pour le fonctionnement en mode H.

2. Plasma d'Hydrogène 7.5 MA/2.65 T avec 20 MW ECRH et 33 MW NBI : Dans ce cas, la possibilité d'atteindre un fonctionnement stable sans hélium est évaluée.

3. Plasma d'Hydrogène 7.5 MA/2.65 T avec 30 MW ECRH et 33 MW NBI : Ce scénario examine si l'augmentation de la puissance ECRH améliore encore la stabilité.

4. Plasma d'Hydrogène 7.5 MA/2.65 T avec 10% d'Hélium : Ce scénario vise à utiliser l'hélium pour déterminer son impact sur les seuils L-H sous différentes conditions de chauffage.

5. Comparaison de Cas avec Insertion de Néon : L'inclusion de néon dans divers scénarios aide à comprendre son rôle et son impact sur la dynamique du plasma.

Chaque cas est conçu pour enquêter systématiquement sur les effets de différents niveaux de chauffage, de la gestion des impuretés et de la composition du plasma.

#Implications pour les Opérations Futures

Les résultats des simulations et des modèles intégrés sont essentiels pour planifier les futures opérations d'ITER. Les connaissances acquises informeront les décisions concernant les mises à niveau nécessaires des systèmes de chauffage, les stratégies de carburant et les méthodes pour gérer efficacement les ELM.

À mesure qu'ITER progresse vers des opérations de puissance de fusion complètes, comprendre ces dynamiques sera crucial pour garantir la sécurité, l'efficacité et le succès global du réacteur. Les idées acquises pendant la phase PFPO influenceront directement la trajectoire de la recherche sur la fusion et le développement de l'énergie à travers le monde.

#Conclusion

Le projet ITER représente une étape clé vers l'exploitation de la fusion nucléaire comme source d'énergie durable. La phase PFPO est essentielle pour se préparer aux futures expériences et garantir que le réacteur fonctionne efficacement et en toute sécurité. En abordant des défis critiques, comme l'atténuation des ELM et les seuils de puissance, et en mettant en œuvre des techniques de modélisation avancées, ITER vise à ouvrir la voie à la production d'énergie de fusion pratique. La recherche en cours et les résultats contribueront de manière significative à la réalisation de la promesse de l'énergie de fusion pour l'avenir.