thumb|Maquette de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), en cours de construction à Cadarache, l'un des prochains prototypes devant tester la production d'un plasma confiné durant 6 min à une heure. La densité de puissance du plasma y sera de un à deux ordres de grandeurs plus importante que dans les tokamaks existants.
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 Parfois comparée à un bref coup de foudre se produisant entre le plasma et les parties matérielles de l'installation, la disruption conduit (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 Les disruptions sont des phénomènes connus depuis la réalisation des premiers tokamaks. d'un tokamak.
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, 2010, Thornton, 2011) 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 cm2, 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, (qui devraient suivre ITER)thèse d’Andrew Thornton, soutenue en Angleterre en janvier 2011 Thèse de Andrew thornton.
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 tokamakGarabedian PR., Configurations for a proof of principle stellarator experiment. Proc Natl Acad Sci USA. 2000 Feb 1; 97(3):972-7 ([Résumé]), mais sans courant circulant dans le plasma.
Enjeux La disruption semble être le risque principal posé pour et par la protection de chaleur ou électricité dans un tokamak de puissance (préfigurés par le prototype expérimental ITER prévu en France à Cadarache), avant une seconde phase dite « DEMO » (c'est-à-dire un autre réacteur similaire à ITER mais permettant de produire de l'énergie électrique, et construit à l'issue des résultats obtenus avec son prédécesseur).
L'emballement du réacteur (au sens où on l'entend pour une réaction de fission nucléaire) est a priori et théoriquement inexistant dans les tokamaks, mais le risque d'apparition brutale (et à ce jour souvent imprévisible) d'instabilités tridimensionnelles dites « disruptions » existe et même ne semble pas pouvoir être évité. Il est reconnu par le projet ITER, même en conditions normales de fonctionnement. Sans système de détection d'anomalie associé à la réaction quasi immédiate (en millisecondes) d'un système d'atténuation, le plasma pourrait éroder, déformer, détruire ou faire fondre certains modules de couverture. Dans le cas de tokamaks de forte puissance, c'est toute l'installation qui pourrait être gravement endommagée.
Certains craignent que les dégâts induits par des disruptions soient une source d'augmentation des coûts de fonctionnement de réacteurs de type Iter, voire un enjeu de sécurité pour l'environnement ou les populations.
Éléments de définition Les disruptions sont définies comme . Pour Kadomtsev cité par Reux, la disruption est , Deux hypothèses l'expliquent aujourd'hui : celle d'une reconnexion magnétique proposée en 1974 par Kadomtsev puis par d'autres auteursR. B. White. Resistive reconnection. Rev. Mod. Phys., vol. 58, no 1, pages 183–207, janvier 1986., à moins qu'il ne s'agisse comme l'a également suggéré Kadomtsev de "bulles de vide" ou tubes de flux hélicoïdaux capturés dans la périphérie (modes de bord) qui transportés vers le cœur peuvent le connecter physiquement et brutalement à la périphérie.
Les étapes d'une disruption Selon Reux, la disruption majeure se déroule en trois grandes parties, 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)E. Poli, A. G. Peeters, A. Bergmann, S. Günter & S. D. Pinches. Reduction of the Ion Drive and ρθ Scaling of the Neoclassical Tearing Mode. Phys. Rev. Lett., vol. 88, no 7, page 075001, février 2002 (résumé)., des effets de courbure du plasmaH Lütjens, J F Luciani & X Garbet. Nonlinear three-dimensional MHDsimulations of tearing modes in tokamak plasmas. Plasma Physics and Controlled Fusion, vol. 43, no 12A, page A339, 2001.(résumé)., 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 électroniques. 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 rayonnement. 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 WessonJ. Wesson. Tokamaks. Clarendon Press, 1997, 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 halo. Cet effondrement du courant 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 magnétique. Ces courants peuvent déformer ou endommager certains éléments de la paroi de la chambre du tokamak (modulaires pour pouvoir être remplacés plus facilement).
Ces disruptions semblent pour partie apparentées à d'autres types d'éruptions telles qu'en observent les astrophysiciens avec les éruptions solaires et les sous-orages magnétosphériques (magnetospheric substormsPotemra, T. (1991). Magnetospheric Substorms. Washington, D.C.: Am. Geophysical Union. pp. 488. .substorm, Southwest Research Institute. Consulté 2011-12-31]Phys Rev Lett. 2004 Apr 30;92(17):175006. Epub 2004 Apr 29. Theory for explosive ideal magnetohydrodynamic instabilities in plasmas. Wilson HR, Cowley SC. (Résumé) qui surviennent dans le plasma très ténu de la magnétosphère (Animation vidéo pédagogiqueAnimation vidéo ; modèle de l'évolution des lignes du champ magnétique de la magnétosphère lors d'un sous orage, Le Laboratoire de L'Univers et ses Théories, consulté 2011-31-12), et pour partie encore mal comprisFrey HU, Phan TD, Fuselier SA, Mende SB., Continuous magnetic reconnection at Earth's magnetopause ; Nature. 2003 Dec 4;426(6966):533-7 (Résumé). Cette théorie prédit que les tubes de flux montée explosive, étroit, et la torsion de passer à travers les lignes de champ magnétique recouvrant sans reconnexion Plus la puissance du réacteur est importante, plus les effets destructeurs d'une disruption sont potentiellement importants voire Thèse d’Andrew Thornton déjà citée, voir page 14 ; .
Elles sont aujourd’hui présentées comme un pour les prochaines générations de tokamaks dont Iter, qui seront beaucoup plus puissants que les précédents et qui ne pourront tolérer les effets caloriques et électromagnétiques des disruptions, pas plus que les flux d'électrons découplés à haute énergie (runaway electrons)C. Reux, J. Bucalossi, F. Saint-Laurent, C. Gil, P. Moreau and P. Maget, Experimental study of disruption mitigation using massive injection of noble gases on Tore Supra ; Nuclear Fusion Volume 50 Number 9 Create an alert RSS this journal C. Reux et al 2010 Nucl. Fusion 50 095006 doi:10.1088/0029-5515/50/9/095006. (Résumé) qu'on cherche donc à mieux comprendre et mesurerKudyakov T, Finken KH, Jakubowski M, Lehnen M, Xu Y, Willi O Spectral measurements of runaway electrons by a scanning probe in the TEXTOR tokamak. Rev Sci Instrum. 2008 Oct; 79(10):10F126., ainsi qu'à empêcher ou réduire, par exemple par l'induction de perturbations magnétiques par résonance magnétique qui semblent pouvoir bloquer l'emballement de l'instabilité du plasma et éviter la production de faisceaux d'électrons découplésSuppression of runaway electrons by resonant magnetic perturbations in TEXTOR disruptions. Lehnen M, Bozhenkov SA, Abdullaev SS, TEXTOR Team, Jakubowski MW. Phys Rev Lett. 2008 Jun 27; 100(25):255003. Epub 2008 Jun 24 ([résumé]). Une des difficultés est que le système doit être très rapidement réactif (en millisecondes) et toujours opérationnel.
Causes de disruption