Essais & Simulations n°133

Essais et modélisation
Dans un tokamak, des températures supérieures à 150
millions de degrés Celsius provoquent la séparation des
électrons des noyaux, ce qui forme un plasma surchauffé
entièrement ionisé à partir d’un combustible hydrogène
gazeux. Le cœur du plasma est contenu dans un récipient
sous vide toroïdal ou en forme d’anneau et est maintenu
à haute pression pour produire un plasma dense avec une
probabilité élevée de collision. Les champs magnétiques
externes confinent et contrôlent le plasma d’une manière
analogue aux champs gravitationnels intenses au cœur du
soleil, produisant ainsi une fusion nucléaire. « Les progrès
récents dans les supraconducteurs à haute température pourraient
nous permettre de concevoir un tokamak qui fonctionne
à des champs magnétiques plus élevés, hissant ainsi
les performances du plasma à celles du niveau des réacteurs,
explique Jeffrey Doody, ingénieur en mécanique au PSFC.
L’objectif des recherches passera ensuite de l’amélioration de
la performance du plasma aux systèmes de support dans le
tokamak. »
À l’aide de la simulation numérique, Jeffrey Doody et ses
collègues conçoivent la structure ADX pour obtenir et maintenir
des flux de chaleur et des champs magnétiques au
niveau de celui des réacteurs, ce qui en fait un banc d’essai
adapté pour les systèmes d’échappement et les interactions
plasma-matériau. Tout ceci afin de permettre la prochaine
étape de développement des machines à fusion.
Figure 2
Schéma du tokamak ADX proposé par le PSFC du MIT.
« Pour évaluer la conception du récipient ADX proposé,
nous effectuons une simulation numérique dans le logiciel
Comsol Multiphysics afin de prévoir les champs magnétiques,
les courants de Foucault et les forces de Lorentz qui résultent
d’une perturbation du plasma, explique Doody. Les charges
calculées sont ensuite appliquées à un modèle mécanique du
récipient, afin de prévoir les contraintes et les déplacements. »
La Figure 3 montre la géométrie d’un modèle magnétique
à symétrie cyclique de l’ADX, dont le récipient, le plasma et
les bobines magnétiques poloïdales, nécessaires pour maintenir
le plasma dans sa position d’équilibre.
Survivre au plasma
La conception proposée pour le récipient sous vide ADX est
innovante dans le sens où il est composé de cinq enveloppes
axisymétriques distinctes, comme le montre la figure 2, au
lieu d’un seul cylindre. La conception modulaire permet
d’échanger les bobines magnétiques et de tester différentes
configurations du divertor. Le divertor est un composant qui
sert de système d’échappement pour retirer les cendres de
fusion du tokamak. Lorsque les ions échappent au confinement
des champs magnétiques qui contrôlent le plasma, le
divertor les récupère et les conduit hors du récipient.
Le récipient modulaire doit non seulement supporter les flux
thermiques élevés et les champs magnétiques nécessaires
pour produire la fusion nucléaire, mais doit aussi survivre
aux perturbations du plasma, qui sont une autre source de
contraintes dans l’enveloppe sous vide du réacteur, générées
par l’effondrement du plasma.
ESSAIS & SIMULATIONS • N°133 • mai-juin 2018 I23