L'extraction en continu de la puissance des plasmas de fusion représente un enjeu crucial. Dans les installations de fusion de type tokamak, la majeure partie de la puissance est émise par le plasma sous forme de particules ionisées énergétiques dirigée vers le
divertor, un composant situé dans la partie inférieure de la chambre à vide, conçu pour canaliser les particules et la chaleur issues du plasma vers des surfaces dédiées, tout en permettant l'évacuation des impuretés et des cendres de fusion. Ce composant est donc très fortement sollicité, tant sur le plan thermique que sur celui de l''érosion.
Afin de réduire ces sollicitations, une approche consiste à injecter des gaz d'impuretés (azote, argon, etc.) à la périphérie du plasma. En absorbant puis en réémettant l'énergie sous forme de rayonnement, ces impuretés répartissent la puissance sur une surface plus importante et réduisent la charge thermique du divertor. Toutefois, elles peuvent dégrader les performances du plasma, ce qui nécessite d'optimiser leur injection.
Le
régime de plasma radiatif, appelé « X point radiator (XPR) », a été observé récemment dans plusieurs tokamaks, suscitant un vif intérêt en tant que voie prometteuse pour réduire considérablement les charges thermiques du divertor. Des expériences menées sur le tokamak WEST ont démontré une mise en œuvre particulièrement intéressante et stable de celui-ci. Dans ce régime XPR, une zone de rayonnement stable se forme près du point X magnétique, entre le plasma confiné et les composants du divertor. Cet anneau de rayonnement toroïdal agit comme un tampon, protégeant les composants en contact avec le plasma tout en préservant la compatibilité avec un fonctionnement à haute performance.
Un mécanisme transitoire caché
Bien que le régime XPR puisse être stable une fois établi, sa formation se produit en l'espace de quelques millisecondes seulement. Il est donc difficile d'identifier le mécanisme physique à partir des seules expériences.
Des simulations avancées de plasma de bord réalisées avec le code SOLEDGE-3X, développé par le CEA-IRFM et le Laboratoire de Mécanique, Modélisation & Procédés Propres (M2P2) de l'Université d'Aix-Marseille (AMU), ont été utilisées pour mettre en évidence le mécanisme à l'origine de cette transition. Les simulations montrent que, lors de l'entrée rapide dans le régime XPR, un
vortex de plasma éphémère apparaît autour du point X.
Le refroidissement provoqué par l'injection d'impuretés crée un puits de potentiel électrostatique, à l'origine d'une circulation temporaire qui transporte du plasma froid et riche en impuretés vers le point X. Ce phénomène amplifie localement le rayonnement par une boucle de rétroaction positive. En quelques millisecondes, un régime radiatif stable s'établit et le vortex disparaît progressivement, à mesure que le refroidissement s'étend et que la circulation s'atténue.
Un enjeu pour le contrôle du plasma
Le vortex transitoire ouvre une voie d'accès plus sûre au régime XPR. Au lieu de nécessiter un apport excessif d'impuretés pour créer le manteau radiatif, le vortex fournit un mécanisme de transport interne qui concentre le refroidissement près du point X et accélère la transition vers un état de rayonnement stable. Cela permet d'atteindre le régime XPR plus tôt et avec un niveau d'impuretés plus faible, réduisant ainsi le risque que le rayonnement pénètre trop profondément dans le plasma confiné et évolue vers des instabilités pouvant conduire à son extinction.
Cette étude permet également d'expliquer l'hystérésis observée dans ce régime : une fois que l'anneau de rayonnement toroïdal s'est formé, il faut moins d'impuretés pour le maintenir que pour le créer. En d'autres termes, le plasma conserve une « mémoire » de la transition.
En établissant un lien entre une transition expérimentale rapide et un mécanisme physique concret, ces travaux montrent une voie prometteuse pour contrôler l'extraction de la puissance radiative dans les plasmas des futures centrales à fusion.