Stefano Alberti Ambrogio Fasoli PRESENTATION DU CENTRE DE RECHERCHES EN PHYSIQUE DES PLASMAS A LA CLASSE DE 3EME ANNEE Stefano Alberti Ambrogio Fasoli EPFL, CE2, 24 Mars 2009

Les activités du CRPP Physique des Plasmas pour la Fusion Physique du tokamak Tokamak à Configuration Variable TCV Théorie et simulation numérique Physique et technologie du chauffage du plasma Physique des plasmas ‘de base’ Expérience TORPEX Supraconductivité Physique des matériaux Participation aux projets internationaux JET et ITER Procédés industriels utilisant le plasma

Réactions de fusion Pour tirer de l’énergie dans un réacteur: Li Plasma self-heating Tritium replenishment Li D+T  He4(3.5MeV) + n(14MeV) n+Li6He4+T n+Li7He4+T+n Pour tirer de l’énergie dans un réacteur: n tE  1020 m-3 sec (T~10 à 20 keV); tE = temps de confinement de l’énergie

Confinement magnétique Le Tokamak

Avantages de la fusion Compatible avec développement durable Haute densité d’énergie 1g D-T 26000kW-hr (1g C0.003kW-hr) Matière première abondante, disponible partout D est 1/6500 of H (OK pour 1010 ans) Li est 17ppm de la surface de la terre (OK pour 103 ans) Environnement Pas d’émission CO2 Pas de déchets radio-actifs à stockage géologique Pas de risque d’accidents nucléaires Pas de prolifération d’armes nucléaires Utilisation limitée du territoire Pas sujet à variations avec climat et saisons

Progrès en fusion magnétique Q = fusion power/input power Q > 5: plasma heating is dominated by fusion by-products: burning plasma

L’approche ‘tunnel à vent’ est possible TCV R~0.9m; B~1.5T; Ip~1MA ITER R~6.2m; B~5.3T; Ip~15MA tE,th=0.0562 Ip0.93 BT0.15 P-0.69 ne0.41 M0.19 R1.97 e0.58 k a0.78 (in s, MA, T, MW, 1019m-3, AMU, m) Mais pour améliorer le concepte et optimiser les scénarios d’opération on a besoin d’une compréhension physique!

Ex. de problèmes physiques en fusion Stabilité macroscopique Liée à b=2nT/(B02/2m0) Pfus~n2T2~b2B4 : grand b  grande puissance de fusion tempêtes solaires Intéractions onde-particules Chauffage du plasma et génération du courant, auto-chauffage (ignition) chauffage couronne Transport et microturbulence disques d’accrétion Intéraction plasma-paroi Limites de densité, flux de particule et puissance, … applications industrielles

Tokamak à Configuration Variable TCV Effets de la forme sur la performance d’un tokamak Confinement, transport de l’énergie et des particules,… Contrôle du plasma Chauffage et génération du courant par ECRH (4.5MW) Grand rayon 0.88m Largeur du plasma 0.48m Hauteur du plasma 1.39m Courant toroïdal (max) 1.2MA Elongation (max) 2.9 Triangularité -0.7to 1 Rapport d’aspect 3.6 Champ magnétique toroïdal 1.43T Puissance ECRH 4.5MW Durée du plasma (max) 2s Flux du transfo. 3.4Vs Tension Vloop (max) 10V

TCV: installation unique au monde pour étudier effet de la forme

Développement de sources RF pour le chauffage ECRH -Gyrotron: Maser à resonance cyclotronique, source d’onde EM cohérente de haute puissance. Fréquence: 80-170 GHz (82 et 118 GHz pour TCV) Puissance RF: 0.5-2MW •Faisceau d’électrons: exemple de plasma non-neutre. •Intéraction non-linéaire onde-particule. •Problèmes liés aux densités de puissance très élevées (p.ex optique avec correction de phase non-quadratique pour minimiser les pertes RF dans le gyrotron) Gyrotron 1 MW -140 GHz

Spin-off de la recherche sur les gyrotrons: application de spectroscopie NMR Développement de sources cohérentes (Gyrotron, Maser à resonance cyclotronique) pour la Polarisation Dynamique Nucléaire (transfert de polarisation (aimentation) du spin électronique au spin nucléaire) Fréquence: 200 - 600 GHz Puissance: 10 - 50 W Accordabilité en fréquence: 200 - 300 MHz Haute pureté spectrale: 1MHz @ -60dB

Transmission de la puissance RF de chauffage ECH entre la source et le plasma • Développement de composants pour transmettre des hautes puissances RF depuis les sources vers le plasma Développement de systèmes de contrôle en temps réel pour la stabilisation de modes du plasma (t) Contrôle en temps réel du rayon de déposition

Ex. de plasma de haute performance sur TCV Chauffage des électrons par 1.35 MW d’onde millimétrique Maintien du courant dans le tokamak par absorption d’onde millimétrique 108 oK 210 kA maintenu sans excitation du primaire (bobine Ohmique) pendant 2 s par 2.7 MW d’onde millimétrique

Physique des plasmas de base: turbulence and transport Développement des ondes de dérive du régime linéaire à la turbulence en géométrie simple Formation de ‘structures’ non-linéaires ‘zonal flows’ similaire aux phénomènes météo Transport ‘anormal’ lié à la turbulence? Est-il diffusif ou dominé par des grands événements? Propriétés statistiques? Comment réduire la turbulence et le transport?

Physique des plasmas de base: expérience TORPEX Major radius 1m Minor radius 0.2m Magnetic field B<0.1T Pulse duration 50-200ms Neutral gas pressure 10-4-10-5mbar Injected power@2.45GHz PRF<50kW Plasma density n~1017m-3 Electron temperature Te~10eV Gas Ar, H, N, …

Ex. de diagnostics sur TORPEX Fixed Langmuir probes High-frequency Langmuir probes Gridded energy analyser Movable Langmuir probes Spectrometer Infrared camera ECW injection (2.45GHz) power measurements Ex. of plasma discharge Ex. of density profile

Théorie et simulation numérique (1) Moteur dans la promotion et l’utilisation d’ordinateur massivement parallèle à l ’EPFL et en Suisse Découvertes importantes faites au CRPP: limite de stabilité MHD (dite de Troyon), nouvelles structures magnétiques de confinement tri-dimensionnelles (Stellerator), physique des ondes en géométrie torique, phénomènes de transport ...

Théorie et simulation numérique (2) Développement de codes numériques à partir de principes fondamentaux dans le domaine de: -stabilité configurations 2D et 3D -instabilités d’ondes linéaires et non linéaires conduisant à une modification du transport thermique Support à l’interprétation des expériences (TCV, JET, TORPEX, …)

Matériaux (site PSI) -R&D dans les matériaux à basse activation induite (dans un réacteur par les neutrons de fusion) Importance cruciale pour l’acceptabilité environnementale d ’un réacteur PIREX: Installation d’irradiation utilisant l’accélérateur de proton du PSI, capable de simuler in situ dans les matériaux certains effets (formation d’He et dégâts d’irradiation) produits par les neutrons de fusion Ex. de thèmes de recherche: -Etude de la fracture et de l’effet de l’irradiation -Etude de la fatigue sous irradiation -Développement d’alliages (aciers, alliages de Titane) à basse activation

Supraconductivité (site PSI) -R&D dans le domaine de la supraconductivité à basse et haute T pour les besoins de la fusion. SULTAN SULTAN est la seule installation au monde capable de tester les SC pour la fusion (60 kA, 12T, refroidis à He supercritique) Ex. de thèmes de recherche: -Stabilité des câbles du type Cable in Conduit (CICC) en fonction de la géométrie du Cu stabilisateur - Répartition du courant dans le CICC - Développement de joints SC pour des CICC pour la fusion

Procédés industriels Recherche ‘de base’ avec buts pratiques Collaboration avec l’industrie suisse (Unaxis, Sulzer, Tetrapak, Charmille) en amont (développement des connaissances) et en aval (résolution de problèmes immédiats) Exemples de projets Panneaux solaires de grande taille (Coll. Unaxis-IMT Neuchâtel) Recouvrement pour emballage, outils de coupe avec du diamant, CD, montre en céramique, bio-matériaux Torche à plasma, « Plasma spraying »

TP et Diplômes au CRPP: sujets dans toute la gamme d’activité Physique des Plasmas pour la Fusion Physique du tokamak TCV: Diagnostics, analyse des données Théorie: Développements analytiques ou numériques, comparaison avec données TCV Physique et technologie du chauffage du plasma Contrôle en temps réel des instabilités du plasma Physique des plasmas ‘de base’ Expérience TORPEX: Diagnostics, analyse des données, développement nouvelles configurations Théorie: Développements analytiques ou numériques de base, comparaison avec données TORPEX Supraconductivité Physique des matériaux Participation aux projets internationaux JET et ITER Procédés industriels utilisant le plasma

TP et Diplômes au CRPP: bon à savoir TP et Diplômes: Véritables projets de recherche Encadrement assuré par un chercheur du CRPP Sujet à la carte (par ex. choix de balance entre théorie et expérience) Si vous êtes intéressés: Indiquez nous votre intérêt pour organiser une entrevue avec un (ou plusieurs) chercheur(s) dans le domaine Lors de votre inscription, indiquer votre domaine d’intérêt A noter: pas de limitation du nombre d’étudiants