vignette| Diagramme simplifié d'une machine à miroir magnétique montrant le mouvement d'une particule chargée. Les anneaux au centre étendent le volume de confinement horizontalement, mais ne sont pas strictement nécessaires et n'apparaissent pas dans de nombreuses machines à miroirs magnétiques. Un miroir magnétique, connu également sous le nom de piège magnétique ou parfois de pyrotron aux États-Unis, est un type de dispositif de fusion nucléaire à confinement magnétique utilisé dans certains réacteurs à fusion pour piéger le plasma à haute température à l'aide de champs magnétiques. Le miroir a été l'une des premières approches importantes pour produire de l'énergie par fusion nucléaire, aux côtés des machines stellarator et de celles à confinement par pincement (z-pinch).
Dans un miroir magnétique classique, une configuration d'électroaimants est utilisée pour créer une zone avec une densité croissante de lignes de champ magnétique aux deux extrémités d'un volume de confinement. Les particules qui s'approchent d'une extrémité sont soumises à une force de plus en plus importante, qui finit par leur faire rebrousser chemin et à les renvoyer dans la zone de confinementFitzpatrick, Richard. "Magnetic Mirrors." Home Page for Richard Fitzpatrick. The University of Texas at Austin, 31 Mar. 2011. Web. 19 July 2011.. Cet effet miroir ne se produit que pour les particules dont la vitesse et l'angle d'approche se situe dans des plages limitées. Les particules se trouvant en dehors de ces limites s'échappent de la zone de confinement, ce qui constitue des fuites intrinsèques au miroir.
Une analyse des premiers dispositifs de fusion par Edward Teller avait montré que les premières conceptions de miroir étaient intrinsèquement instables. En 1960, des chercheurs soviétiques ont introduit une nouvelle configuration, le « minimum-B », pour résoudre le problème d'instabilité. Ce dernier a lui-même ensuite été modifiée par des chercheurs britanniques en un dispositif du nom de « bobine de base-ball », car il ressemblait à une balle de base-ball, puis par les États-Unis avec leur machine dite à « aimant yin-yang ». Chacune de ces améliorations a conduit à de nouvelles augmentations des performances, atténuant diverses instabilités, mais nécessitait des systèmes d'aimants de plus en plus gros. Le concept de miroir tandem, développé aux États-Unis et en Russie à peu près au même moment, offrait un moyen de fabriquer des machines à rendement énergétique positif sans nécessiter d'énormes aimants, ni une alimentation électrique importante.
Vers la fin des années 1970, de nombreux problèmes de conception étaient considérés comme résolus et le laboratoire national Lawrence Livermore (en anglais : Lawrence Livermore National Laboratory, ou LLNL) commença alors l'étude du Mirror Fusion Test Facility (MFTF) sur la base de ces concepts. La machine a été achevée en 1986, mais à ce moment-là, des expériences utilisant le miroir tandem, plus petit, avaient révélé de nouveaux problèmes. Du fait d'une série de coupes budgétaires, MFTF a été suspendu, puis finalement abandonné. Un concept de réacteur à fusion appelé le tore bosselé utilisait une série de miroirs magnétiques assemblés en anneau. Il a été étudié au laboratoire national d'Oak Ridge jusqu'en 1986. Depuis cette période, l'approche du miroir magnétique a connu une diminution de ses développements, au profit du tokamak. Mais des recherches se poursuivent aujourd'hui dans des pays comme le Japon ou la RussieT.C. Simonen, Three game changing discoveries: a simpler fusion concept? J. Fusion Energ., February 2016, Volume 35, Issue 1, pp 63-68. doi:10.1007/s10894-015-0017-2.
Histoire
Premiers développements droite|vignette| L'appareil Q-cumber du laboratoire national Lawrence Livermore, aux États-Unis, vu ici en 1955 alors qu'il était encore classifié. Il a été parmi les premiers à démontrer clairement la possibilité du confinement magnétique par effet miroir. Le concept du confinement d'un plasma par miroir magnétique a été proposé au début des années 1950 indépendamment par Gersh BudkerIn Russian: Г.И. Будкер, Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, Т. 3, Изд. АН СССР, Москва (1958), стр. 3-31; in English: G. I. Budker, Plasma Physics and the Problem of Controlled Thermonuclear Reactions, Vol. 3, Pergamon Press, New York (1959), pp. 1-33 de l'Institut Kurchatov en Russie et par Richard F. Post au laboratoire national Lawrence Livermore aux États-Unis.
Avec la mise en place du Project Sherwood en 1951, Post commença le développement d'un petit appareil pour tester la configuration du miroir magnétique. Il s'agissait d'un tube linéaire en pyrex placé le long de l'axe d'une série d'aimants. Les aimants étaient disposés en deux ensembles, le premier constitué de petits aimants espacés uniformément sur toute la longueur du tube, et le second d'une paire d'aimants beaucoup plus intenses à chacune des extrémités de l'appareil. En 1952, ils ont pu démontrer que le plasma à l'intérieur du tube restait confiné pendant des durées beaucoup plus longues lorsque les aimants miroirs aux deux extrémités étaient en fonctionnement. À l'époque, ils appelaient cet appareil le « pyrotron », mais ce nom n'a pas été retenu très longtemps.
Instabilités Lors d'une conférence devenue désormais célèbre sur la fusion nucléaire en 1954, Edward Teller avait noté que tout appareil avec des lignes de champ magnétique convexes serait probablement instable, un problème aujourd'hui connu sous le nom d'instabilité de flûte. Le miroir avait précisément une configuration en forme de flûte. Le champ magnétique était très convexe aux extrémités où l'intensité du champ augmentait. Ces problèmes suscitaient de sérieuses inquiétudes de la part de Post, mais au cours de l'année suivante, son équipe ne trouva aucune indication de ces problèmes. En , Post alla jusqu'à déclarer : « Il apparaît maintenant clairement que, du moins en ce qui concerne la machine à miroir, ces calculs ne s'appliquent pas en détail. »
En Russie, le premier miroir magnétique à petite échelle (le « probkotron ») a été construit en 1959 à l'Institut de physique nucléaire Budker de Novossibirsk. Contrairement à l'équipe menée par Post, les Russes ont immédiatement vu l'instabilité qu'avait prédite Teller, ce qui conduisit à un paradoxe car les équipes américaines continuaient à manquer d'évidences du problème. En 1960, Post et Marshall Rosenbluth ont publié un rapport « fournissant des preuves de l'existence d'un plasma confiné stable ... alors que la théorie hydromagnétique la plus simple prédit l'instabilité. »
Lors d'une réunion sur la physique des plasmas à Saltzberg en 1961, la délégation soviétique présenta de nombreuses données mettant en évidence l'instabilité, tandis que les équipes américaines continuaient à n'en montrer aucune. Une question désinvolte de Lev Artsimovich a alors réglé la question lorsqu'il demanda si les données produites à partir des instruments des machines américaines avaient été ajustées pour tenir compte d'un délai bien connu en sortie des détecteurs qu'ils utilisaient. Il est soudainement devenu clair que la stabilité apparente de 1 ms correspondait en réalité à la milliseconde de retard dans l'acquisition des mesures. Artsimovich est allé jusqu'à affirmer que « nous ne disposons plus aujourd'hui d'aucun fait expérimental indiquant un confinement durable et stable du plasma avec des ions chauds au sein d'une géométrie à miroir magnétique simple. »
Nouvelles géométries droite|vignette| Le Baseball II était une version supraconductrice de la conception de la bobine de baseball, vue ici en 1969 lors de sa construction. vignette| L'expérience de la bouteille magnétique 2X de 1978. La photo montre Fred Coensgen. Le cylindre contient un ensemble d'injecteurs de faisceau neutre, le miroir lui-même n'est pas visible. La question des instabilités potentielles avait alors été examinée sur le terrain pendant un certain temps et de nombreuses solutions possibles avaient été proposées. Celles-ci consistaient généralement à modifier la forme du champ magnétique pour qu'il soit concave sur tout le volume, la configuration dite du « minimum-B ».
Lors de la même réunion de 1961, Mikhail Ioffe avait présenté les données d'une expérience utilisant le minimum-B. Sa conception utilisait une série de six barres conductrices de courant supplémentaires à l'intérieur d'un miroir par ailleurs typique, ce qui déformait le plasma, lui donnant une forme de nœud papillon torsadé, produisant une configuration minimum-B. L'équipe avait pu démontrer que cela améliorait grandement les temps de confinement de l'ordre de la milliseconde. Aujourd'hui, cet arrangement est connu sous le nom de « barres de Ioffe ».
Un groupe du Centre scientifique de Culham, en Angleterre, avait noté que le système de Ioffe pouvait être amélioré en combinant les anneaux d'origine et les barres en un seul nouvel arrangement similaire au motif que l'on peut voir sur une balle de tennis. Ce concept a été repris aux États-Unis où il a été renommé d'après les coutures qui maintiennent le cuir sur une balle de base-ball. Ces « bobines de base-ball » avaient le grand avantage de laisser le volume interne du réacteur ouvert, permettant un accès facile pour les instruments de diagnostic. En revanche, la taille de l'aimant par rapport au volume du plasma n'était pas pratique et nécessitait des aimants très puissants. Post a ensuite introduit une autre amélioration, les « bobines yin-yang », qui utilisaient deux aimants en forme de C pour produire la même configuration de champ, mais avec un volume plus petit.
Aux États-Unis, des changements importants au programme de fusion étaient en cours. Robert Hirsch et son assistant Stephen O. Dean étaient enthousiasmés par les énormes progrès des performances observées dans les tokamaks soviétiques. Ces derniers suggéraient que la production d'électricité était désormais une possibilité. Hirsch commença alors à transformer le programme de l'époque, qu'il ridiculisait comme étant une série d'expériences scientifiques non coordonnées, pour produire un effort planifié dont le but était d'atteindre le seuil de rentabilité. Dans le cadre de ce changement, il commença par exiger que les systèmes actuels démontrent des progrès réels, ou ils seraient annulés. Le tore bosselé, le levitron et l'Astron ont tous été abandonnés, non sans une réticence acharnée.
Dean a ensuite rencontré l'équipe de Livermore pour préciser que le projet Astron serait probablement terminé, et que les miroirs magnétiques devaient également être améliorés ou abandonnés, ce qui aurait laissé le laboratoire sans grands projets de fusion. En , Dean fit une série de demandes à l'équipe travaillant sur le miroir : leurs systèmes devraient démontrer une valeur de nT de 1012, une augmentation importante par rapport à la meilleure valeur de l'époque, qui était de 8x109 sur le réacteur 2XII. Après avoir entendu les inquiétudes des chercheurs que l'objectif serait impossible à atteindre, Dean est revenu en arrière avec une valeur de 1011 d'ici à la fin de 1975.
DCLC Bien qu'ayant un niveau de performance bien inférieur aux exigences de Dean, le réacteur 2XII avait néanmoins réussi à démontrer que l'arrangement yin-yang était réalisable et supprimait les principales instabilités observées dans les machines à miroirs magnétiques précédentes. Mais alors que les expériences se poursuivaient jusqu'en 1973, les résultats ne s'amélioraient pas comme prévu. Des solutions ont émergé pour augmenter les performances, en particulier grâce à l'injection de faisceaux de particules neutres pour faire monter rapidement la température du plasma dans le but d'atteindre les conditions de Dean. Le résultat a été le réacteur 2XIIB, le B étant pour beam (faisceau).