Стелларатор
Wendelstein 7-X
17 декабря 2015 г.
Ca y est, le Allemands, après 19 longues années ont terminé le montage de ce véritable cauchemar technologique qu'est un stellarator. Début décembre cette machine a produit son premier plasma, des décennies avant ITER. Evidemment les gens qui consultent mon site m'ont assailli de questions à propos de cette machine.
Il a fallu 19 années pour que ce projet voie le jour et un million d'heures de travail. Il compte 20 bobine planes et 50 bobines non planes. pourquoi ce distingo ? Quand on veut créer un champ magnétique dans ces bobines il faut y faire circuler un très fort courant qui peut atteindre douze mille ampères. Or quand on fait passer un courant intense dans un bobinage il est soumis à des forces centrifuges qui concourrent à lui donner une forme circulaire. Le cas échéant ces forces peuvent engendrer la rupture de la bobine. La veine du Stellarator allemand ayant une géométrie très tourmentée
il a été nécessaire de prévoir des bobines de formes ci non seulement circulaires, mais gauches :
Pourquoi une géométrie aussi compliquée ? Si vous visionnez les 5 vidéos que j'ai installées sur Youtube les principes directeurs des Tokamaks y sont présentés. Il partent d'une idée venue du froid, due à Andréi Sakharov et Artsimovitch. Si on équipe une chambre toroïdale de bobinages circulaires, régulièrement disposés, le champ magnétique sera plus intense près de l'axe de la machine, là où les bobines sont les plus proches les unes des autres. Les plasmas ayant tendance à gagner les régions où le champ est minimal ceci fera que le champ magnétique tendra à expulser le plasma créé dans la chambre vers l'extérieur. Le Tokamak représente une première solution. A l'aide d'un solénoïde disposé selon l'axe de la machine, qui crée un champ lentement croissant (qui atteindra 13 teslas sur ITER), lequel baigne la chambre d'essai on fait naître un courant induit qui se boucle circulairement dans le plasma. Ce courant crée lui-même un champ, dit poloïdal qui se compose avec celui créé par les bobines enserrant la chambre. Au résultat les lignes de champaffactent une forme spiralée.
Comme les particules chargées ont tendance elles mêmes à spiraler autour des lignes de champ magnétique elles suivront celles-ci. Ceci permettra de garder le plasma au centre de la chambre. L'autre solution, suggérée par l'Américain Lyman Spitzer dans les années cinquante et de faire dans ce qu'il appela un Stellarator. La machine Wendelstein X-7 est un Stellarator :
En jaune, la chambre de la machine, en bleu les nombreuses bobines. Lors de sa conception le Stellarator allemand a fait l'objet de nombreux calculs sur ordinateur pour optimiser la forme de sa chambre ainsi que le dessin de ses bobines. Tout cela a demandé un énorme travail et un million d'heures de travail.
Pourquoi opter pour le Stellarator plutôt que pour le Tokamak ? Dans le Tokamak ( et ITER en un ) l'écueil majeur est la possibilité de voir se produire des disruptions. A l'intérieur de la chambre le "courant plasma" ( 15 millions d'ampère pour ITER ) peut être représenté de manière imagée par un serpent qui se mordrait la queue. Très schématiquement une disruption peut être comparée à la rupture de la façon dont ce courant s'enroule. Alors le serpent lâche sa queue et s'en va "mordre la paroi". Sur ITER cette "morsure" est évaluée à 11 millions d'ampères.
La cause : une turbulence MHD. Pire encore : cette distorsion du champ magnétique s'accompagne de gradients qui sont autant de régions accélérant les particules chargées : essentiellement les électrons. Ceux-ci acquièrent des vitesses relativistes, proches de la vitesse de la lumière, se dotent d'énergies très importantes. A partir d'une certaine vitesse ils cessent pratiquement d'interagir avec les ions. On les appelle alors des électrons découplés. Mais par "effet d'avalanche" ils accélèrent d'autres électrons. Il y a un effet multiplicatif, considérable sur ITER.
Dans un Stellarator ces phénomènes n'existent pas. Cela ne veut pas dire que d'autres instabilités ne puissent pas se manifester. Seule l'expérimentatation apportera la réponse à cette question. Depuis un demi siècle les machines à plasma ont réservé trop de mauvaises surprises pour qu'il ne soit pas indispensable d'avancer progressivement.
La machine allemande a un système de magnétisation où l'intensité du champ atteint 3 teslas. Le système de chauffage par micro-ondes est prévu pour fonctionner pendant 10 à 50 secondes. Un système d'injection de neutres représente un apport d'énergie d'une puissance de 8 Mw. Avec ce dispositif les chercheurs espèrent porter le plasmas, dans la chambre, avec une densité de 3 10
20
noyaux par mètre cube à une température de 60 à 120 millions de degrés.
Le Stellarator allemand ne permettra pas d'obtenir un plasma de fusion "autonome", où l'énergie issue de la fusion suffirait à maintenir la température du plasma à un niveau suffisant. Avec ces différentes machines on s'efforce d'allumer le "feu nucléaire". Vous pouvez comparer cela à une tentative d'allumer "du bois un peu humide" avec des morceaux de cagette ou un "allume-feu"machine. Tant que cela brûle le bois humide participe au processus exo-énergétique. Quand les fragments de bois sec, ou l'allume-feu sont consumés, deux cas de figure. Ou la combustion du bois humide dégage assez de chaleur pour que ce feu soit auto-entretenu, ou cette énergie dégagée sera insuffisante et ce feu s'éteindra et vous en serez quitte pour recommencer l'opération avec un nouvel allume-feu.
Aucune machine à plasma au monde n'a à ce jour pu créer de telles conditions. La plus performante : le JET a permis de monter le coefficient Q = énergie injectée/énergie produite à la valeur 0,6. Le but d'ITER était d'obtenir un coefficient supérieur à l'unité. Au passage, on n'a aucune idée concernant la façon dont se comporterait un plasma de fusion soudain auto-entretenu. Comme dans tout ce qui touche à ces questions il est bien difficile de faire des prédictions théoriques.
Le Stellarator allemand a représenté un coût qui est proportionnel à sa complexité. Je crois que les dépenses se monte à un milliard d'euros. Mais c'est un projet qui est arrivé à maturité. La machine a été construite, ses dispositifs de magnétisation sont opérationnels et en ce début de décembre les chercheurs ont obtenu leur premier plasma. La suite consistera à accroître l'apport d'énergie qui se négocie, comme dans les tokamaks à l'aide de micro-ondes et d'injections de neutres. Ce sont des techniques qui sont maîtrisées. La première question est : "Cette machine répond-t-elle aux attentes du point de vue du confinement de son plasma ?". Il semble qu'un début de réponse positive ait été obtenu.
Le Stellarator représente-t-il une solution vis-à-vis de la production d'énergie par fusion ? Il est encore trop tôt pour le dire. Mais son coût reste 16 fois inférieur à celui d'ITER. La machine a une énorme avance sur ce projet pharaonique : elle fonctionne, et les chercheurs n'ont pas à craindre qu'elle soit immédiatement endommagée par une disruption, ce qui n'est pas le cas d'ITER.
Ce risque handicape terriblement ce dernier projet. Si on regarde comment ITER est conçu, tout remplacement de composant peut constituer un problème inextricable. Les composants qui représentent la cible favorite de ces disruptions sont les éléments du "divertor".
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La première image permet d'évaluer la taille de la pièce, en rapport avec l'échelle de l'ensemble de la machine. Il existe une vidéo qui montre à quelles acrobaties les techniciens devront se livrer pour assurer la mis...