vignette|Vue intérieure du tore du Tokamak à configuration variable (TCV), dont les parois sont recouvertes de tuiles de graphite. vignette|Plasma typique d'un tokamak sphérique le MAST.|alt=
Un tokamak est un dispositif de confinement magnétique expérimental explorant la physique des plasmas et les possibilités de produire de l'énergie par fusion nucléaire. Il existe deux types de tokamaks aux caractéristiques sensiblement différentes, les tokamaks traditionnels toriques (objet de cet article) et les tokamaks sphériques.
C'est une technologie candidate au développement d'une centrale de production d'électricité par fusion nucléaire fonctionnant selon le principe d'un échange de chaleur avec un fluide. Il convient néanmoins dans un premier temps de démontrer avec ITER que l'énergie produite par les réactions de fusion reste supérieure à l'énergie consommée pour maintenir le plasma en conditions (de réaliser ces réactions de fusion).
Inventé au début des années 1950 par les physiciens soviétiques Igor Tamm et Andreï Sakharov sur une idée originale du physicien Oleg Lavrentiev, l’acronyme tokamak vient du russe « тороидальная камера с магнитными катушками » (toroidalnaïa kamera s magnitnymi katouchkami : en français, « chambre toroïdale avec bobines magnétiques »). On rencontre – plus rarement – la graphie tokomak. Le premier tokamak, dénommé T1, a été construit à l'institut Kourtchatov à Moscou..
Le futur tokamak d'ITER mesurera de haut pour de diamètre et pèsera approximativement .
Principe vignette|Une réaction de fusion nucléaire : la fusion du deutérium avec du tritium produit de l' et un neutron et libère de l'énergie. À l'intérieur du tokamak, l'énergie qui est engendrée par la fusion des noyaux atomiques est absorbée sous forme de chaleur par les parois de la chambre vide. La fusion nucléaire permet à partir de deux atomes très légers (par exemple le deutérium et le tritium) de créer des atomes plus lourds. La réaction ne pourra jamais s'emballer, car ce n'est pas une réaction en chaîne. La moindre poussière dans le tokamak stoppera la réaction. Cette transformation produit un défaut de masse qui se manifeste sous forme d'énergie (selon E = mc, où E est l'énergie produite en joules, m la masse disparue en kilogrammes et c la célérité de la lumière, en mètres par seconde).
Cet excès d'énergie pourrait se transformer en énergie thermique. Comme les centrales électrogènes classiques, une centrale de fusion hypothétique utilise cette chaleur pour produire de la vapeur, puis, grâce à des turbines et des alternateurs, de l'électricité.
ITER vise l'utilisation d'un mélange deutérium-tritium (D‑T) équimolaireManfred Glugla (Head of Fuel Cycle Engineering Division - Iter) Les systèmes de détritiation d’Iter (Iter), consulté 2011-12-25.
Conditions nécessaires La fusion nucléaire nécessite que deux noyaux se rencontrent. Il faut donc : que les atomes soient débarrassés de leur enveloppe électronique, formant alors un plasma ; que ces noyaux soient amenés à se percuter, grâce au confinement ; que la percussion soit suffisamment violente pour que les atomes fusionnent (sinon, ils se repoussent, car ils sont chargés positivement), grâce à une température élevée. Un autre critère est la vitesse de refroidissement naturelle du plasma lorsqu'on arrête de le chauffer. Plus le plasma est volumineux, plus le rapport « nombre d'atomes à la surface » sur le « nombre d'atomes à l'intérieur » diminue. Au bout du compte, il garde mieux sa chaleur et met plus de temps à se refroidir. Ce temps de refroidissement est appelé « temps de confinement » et explique notamment la taille relativement importante des tokamaks.
Création d'un plasma Une réaction de fusion s'obtient lorsque deux noyaux atomiques se rencontrent. Or, à l'état naturel sur Terre, les noyaux sont entourés d'un nuage électronique, le tout formant un atome. Le noyau est chargé positivement et le nuage électronique, négativement, l'atome résultant étant globalement neutre. Comme les pôles sud (ou nord) de deux aimants se repoussent, les nuages électroniques se repoussent et forment un bouclier pour les noyaux. La première étape consiste donc à séparer les noyaux de leur nuage électronique. Deux méthodes sont utilisées : abaisser la pression (comme dans les néons), ou chauffer le gaz (comme dans une flamme).
La deuxième étape consiste à remplir une chambre avec un gaz de deutérium-tritium (les réactifs) sous une très faible pression (seuls quelques grammes de matières suffisent à « remplir » uniformément la chambre du tokamak). Dans ce cas, le confinement est mécanique. Le gaz est ensuite chauffé par micro-ondes (selon le même principe que dans l'appareil domestique) : il va commencer à perdre des électrons. Les températures atteintes par le plasma vont rapidement devenir dangereuses pour les matériaux de la paroi de la chambre.
Confinement du plasma L'enjeu est de contrôler un plasma au cœur du tokamak, dans un volume limité et assez éloigné de tout élément solide, notamment la paroi de la chambre (qui brûlerait ou fondrait instantanément sous la chaleur).
Le concept initial consiste à confiner les particules dans un espace réduit, à l'intérieur de la chambre. Le plasma sera alors séparé des parois par du vide.
Confinement radial (solénoïde) vignette|Schéma d'un solénoïde. En bleu, les lignes de champ, en jaune, les spires de la bobine.
Le plasma est constitué de particules chargées (ions et électrons) confinées dans un champ magnétique. À cette fin, la chambre est conçue comme un long tube, entouré d'une bobine de fil électrique formant un solénoïde. Ce solénoïde crée un champ axial (le long de l'axe du tube) et, grâce à la force de Lorentz, les particules se déplaçant dans la direction perpendiculaire au champ voient leur trajectoire devenir circulaire dans le plan radial. Cette direction correspond à une ligne de champ magnétique.
Plus exactement, les particules se déplacent non pas en ligne droite, mais en spirale le long de la ligne de champ. D'autre part, le solénoïde ne doit pas nécessairement être continu ; dans la pratique, on utilise des bobines de Helmholtz, qui sont plus simples à construire et qui permettent d'ajourer le solénoïde pour accéder plus facilement à la chambre interne.
Confinement en tore (champ toroïdal) Il reste à assurer le confinement aux extrémités du tube. Pour cela, on referme le tube sur lui-même, créant un tore. Ce dispositif a cependant un inconvénient : le champ magnétique n'est pas aussi homogène que dans un solénoïde. Les spires du bobinage au niveau du grand rayon du tore (l'extérieur) sont moins serrées que celles à l'intérieur : plus la matière s'éloigne du centre du tore, moins elle est soumise au champ magnétique. Trois phénomènes apparaissent : le plasma va avoir tendance à s'aplatir le long du petit rayon du tore. Ainsi, la section du tore (initialement circulaire) va devenir un cercle aplati, c'est-à-dire une « poloïde » ; les particules parcourant le tore, la force centrifuge va les forcer à aller vers l'extérieur, où le champ magnétique est plus faible ; les particules se déplaçant également en spirale, le long de leur déplacement, elles ne sont pas à une distance constante du centre du solénoïde. Finalement, ces deux derniers phénomènes décalent la spirale de telle sorte qu'après un tour les particules ne se retrouvent plus au même endroit : elles se sont décalées perpendiculairement au tore (toujours dans des sens opposés selon qu'on regarde les ions ou les électrons). vignette|En haut : champ toroïdal. Au milieu : champ poloïdal. En bas résultante (champ « vrillé »). En bleu les aimants. En rouge le plasma.
Confinement poloïdal Il faut donc un troisième confinement qui force les particules à reboucler au même endroit après un tour. Une solution est de faire vriller le plasma. Il faut alors créer une force capable de faire tourner le tore de particules sur lui-même (faire en sorte que le grand rayon devienne le petit rayon et vice versa). Deux solutions sont utilisées : tordre mécaniquement le tore en utilisant des aimants dont la forme est très complexe. Cette solution est retenue dans un stellarator ; tordre magnétiquement le tore avec un champ qui suit le cercle défini par la section interne du tore, solution retenue dans un tokamak. Pour créer ce champ magnétique qui tourne autour du tore, les équations de Lorentz impliquent qu'un courant électrique doit circuler le long du tore. Le plasma étant ionisé, il forme naturellement un conducteur en forme d'anneau. On va alors considérer cet anneau comme le secondaire d'un transformateur constitué d'une spire. Concentriquement au tore et tout autour de ce dernier, on disposera des bobines circulaires pour former le primaire du transformateur. Le courant alimentant ces bobines sera donc alternatif et à une fréquence de l'ordre du hertz.
On aurait pu appeler ce champ « champ circulaire », mais, comme vu dans le paragraphe précédent, le tore d'un tokamak est aplati en son centre, sa section n'est plus un cercle, mais un cercle aplati, qui est une variété de poloïde. C'est pourquoi le terme utilisé est « champ poloïdal ».
Turbulences Malgré le soin apporté au confinement magnétique, le plasma est un fluide sujet à des turbulences microscopiques et macroscopiques, qui ont des conséquences très importantes.
Les turbulences microscopiques, liées aux chocs des particules entre elles, brassent le plasma et contribuent à le refroidir (comme on tourne la cuillère dans son potage). Les températures élevées du plasma font que ces turbulences ont un impact non négligeable sur le temps de confinement et donc sur l'efficacité globale du réacteur.
Les turbulences macroscopiques surviennent lorsque tout le plasma bouge. Il peut osciller, se rapprocher de la paroi, voire être parcouru par des vagues. Si de la matière entre en contact avec les parois, on parle de perte de confinement ( en anglais) ou plus généralement de disruption. Or, si les protubérances touchent la paroi du tokamak, cette dernière se voit très fortement chauffée et parcourue par d'intenses courants électriques (liés aux courants induits par les bobines poloïdales). Les conséquences peuvent aller jusqu'à la perte de l'intégrité du réacteur.
Chauffage du plasma Pour produire une réaction de fusion nucléaire, il faut chauffer la matière à de très hautes températures, atteignant environ 150 millions de degrés Celsius. Dans ces conditions, les électrons se détachent complètement de leur noyau — on dit que l'atome s'ionise. La matière entre alors dans un état de plasma.
Afin d'obtenir de telles températures, plusieurs méthodes ont été expérimentées : l'utilisation de l'effet Joule produit par le déplacement des électrons, notamment lié au champ poloïdal (mais ce phénomène n'est plus très efficace au-delà d'une température de dix millions de degrés) ; l'injection et le confinement magnétique de particules préalablement accélérées dans un accélérateur de particules annexe ; l'utilisation de puissants lasers (effet Compton) ; l'utilisation d'ondes électromagnétiques aux fréquences caractéristiques du milieu plasmique (le principe d'échauffement pourrait être comparé à celui du four à micro-ondes).
Dans les réacteurs à fusion du futur, la température nécessaire pourrait être obtenue par une combinaison de ces méthodes.
Bilan énergétique Le bilan énergétique est mesuré par le facteur « Q », qui correspond au quotient de l'énergie libérée par la fusion divisée par l'énergie consommée, avec : énergie consommée : ensemble de la consommation électrique nécessaire pour maintenir le plasma à une température donnée ; énergie produite : chaleur rayonnée par le plasma (collectée par les parois et potentiellement utilisable pour produire de l'électricité).
On distingue différentes phases qui sont liées aux niveaux de confinement et de températures du plasma :