Evacuation de puissance record dans l’installation de recherche sur la fusion Asdex Upgrade

Dans un communiqué de presse, l’IPP a indiqué qu’une commande sophistiquée était à l’origine de ce nouveau record. En effet, une commande à rétroaction d’une rapidité unique garantit à la fois que les plasmas haute puissance atteignent les millions de degrés souhaités, et que la paroi de la cuve du plasma ne soit pas sollicitée de manière excessive.

L’interaction entre la cuve et le plasma est décisive

L’objectif d’une centrale de fusion est de produire de l’énergie à partir de la fusion de noyaux atomiques. Pour ce faire, le combustible, un gaz hydrogène ultrafin et ionisé (le «plasma»), doit être enfermé dans une cage soumis à un champ magnétique, et ce quasiment sans qu’il n’y ait aucun contact entre le plasma et la paroi. Cela permet au gaz d’atteindre des températures d’ignition de plus de cent millions de degrés Celsius. Un des principaux défis réside dans l’obtention d’une interaction compatible entre la cuve et le plasma en suspension contenu à l’intérieur. Une attention particulière doit être portée aux endroits où le plasma est en contact avec la paroi de la cuve: un champ magnétique spécial, appelé champ de divertor, conduit le bord extérieur du plasma annulaire vers des plaques refroidies et particulièrement résistantes situées dans le fond de la cuve, afin de retirer les impuretés gênantes contenues dans le plasma. Les divertors permettent donc d’épargner la paroi de la cuve, et la couche superficielle du plasma, plus froide et façonnée par le champ de divertor, et enveloppe le cœur du plasma à la manière d’un manteau chauffant.

L’Argon et l’azote utilisés pour le refroidissement

La charge thermique des plaques de divertor, qui concerne une centrale de fusion, se situe autour de 5 MW/m². Afin de ne pas dépasser cette valeur, le bord du plasma doit être maintenu le plus froid possible, tout en conservant au cœur une température de 150 millions de degrés Celsius. L’isolation thermique est garantie essentiellement par le champ magnétique en forme de cuvette, qui ralentit considérablement le transport des particules depuis le cœur chaud du plasma vers l’extérieur. L’Asdex Upgrade permet ici de faciliter le processus. Le bord du plasma est refroidi activement par l’insufflation de petites quantités d’argon dans la chambre principale, et d’azote directement devant les plaques de divertor. En cas de contact avec le plasma chaud, les particules d’impureté insufflées deviennent lumineuses. Elles évacuent ainsi l’énergie de manière douce sous la forme d’une lumière ultraviolet ou à rayons X. L’effet de refroidissement des impuretés au bord est très utile, contrairement au cœur du plasma, où il doit être évité: avant que les particules de plasma rapides ne heurtent les plaques de divertor, elles ont ainsi déjà perdu leur énergie au contact des atomes d’azote et d’argon.

Méthode à l’origine du record mondial

La puissance calorifique présente dans le plasma comparativement petit, rapportée au rayon de l’installation, a atteint la valeur jusqu’à présent inégalée de 14 MW par mètre, sans solliciter les plaques de divertor au-delà de la valeur souhaitée. Afin de pouvoir ajuster avec précision le flux thermique sur les plaques de divertor au cours de l’ensemble des phases de la décharge qui dure une dizaine de secondes, l’apport en azote et celui en argon sont commandés indépendamment l’un de l’autre et en temps réel par le biais d’une commande à rétroaction sophistiquées et très rapide. Les appareils de mesure enregistrent l’énergie dégagée dans la chambre principale et sur le bord du plasma, ce qui permet de calculer le flux de puissance sur les plaques de divertor. Si celui-ci est trop élevé, une quantité plus importante d’azote ou d’argon est immédiatement insufflée. Si au contraire la puissance est trop basse, les vannes à gaz sont étranglées en quelques millisecondes. En dépit de la puissance calorifique élevée de 23 MW pour 3 mg de plasma dans l’Asdex Upgrade, cette commande permet de maintenir à tout moment la sollicitation exercée sur les divertors dans la plage requise pour une future centrale. Parallèlement, le cœur du plasma présente la pureté, la température et l’isolation thermique élevées recherchées.