Equipe Plasmas de Fusion Magnétique

• La réalisation d’un réacteur de fusion nucléaire fonctionnel, basé sur la fusion d’isotopes légers de l’hydrogène, pose d’immenses défis scientifiques et technologiques. Le projet ITER (https://www.iter.org/) en est un exemple emblématique, mobilisant des domaines variés : aimants supraconducteurs, systèmes cryogéniques à grande échelle, matériaux résistants aux flux thermiques et à l’irradiation, et simulations numériques avancées.

• Au cœur de ces recherches, la physique des plasmas joue un rôle fondamental. Le confinement magnétique doit permettre de maintenir le cœur du plasma à des températures vingt fois supérieures à celle du centre du Soleil, tout en maintenant un bord relativement froid pour préserver les parois. Ces forts gradients de température et de densité génèrent une diversité d’instabilités à différentes échelles spatiales (de quelques dizaines de microns à plusieurs millimètres), dont le développement non linéaire conduit à une turbulence plasma responsable d’un transport radial accru de chaleur et de particules, dégradant la performance du confinement.

• L’objectif de l’équipe est de comprendre, prédire et maîtriser ces phénomènes turbulents, en développant des modèles théoriques, des diagnostics expérimentaux et des simulations numériques adaptées aux conditions des tokamaks actuels et futurs, tels qu’ITER.

• Marie-Christine Firpo (CNRS)

• Özgür Gürcan (CNRS)

• Pascale Hennequin (CNRS)

• Pierre Morel (Université Paris-Saclay), responsable scientifique

• Laure Vermare (CNRS)

• Cyrille Honoré (IR, École Polytechnique), responsable technique

• Vitaliy Pisarev (IR, École Polytechnique)

• Anna Krupka

• Olivier Panico

• Sascha Rienäcker

• Pierre Guillon

• Lorenzo Manfredini

• La machine TORIX est une installation expérimentale permettant l’étude des instabilités plasma en géométrie torique. Bien qu’il ne s’agisse pas d’un tokamak, TORIX reproduit des phénomènes similaires à ceux observés dans les réacteurs de fusion, notamment les instabilités responsables de la micro-turbulence.

• L’enceinte à vide a une forme annulaire (grand rayon 60 cm, petit rayon 10 cm). Un filament de tungstène chauffé et polarisé génère une décharge dans un gaz d’argon à basse pression (~10 Pa), tandis qu’un champ magnétique de 0,35 T assure un confinement partiel du plasma le long du tore. Malgré des paramètres plasma plus modestes que dans les tokamaks (températures et densités ~1000 fois plus faibles), le plasma de TORIX présente des instabilités transverses au champ magnétique, d’intérêt direct pour la recherche en fusion.

Plusieurs diagnostics ont été développés et sont en constante amélioration :

• Sondes de Langmuir à polarisation dynamique : mesures locales et résolues dans le temps des fluctuations de densité, température électronique et potentiel.

• Caméra rapide : visualisation 2D des émissions lumineuses du plasma, à fréquence compatible avec celle des ondes instables.

• Rétrodiffusion micro-onde sur la résonance hybride haute : diagnostic non-invasif permettant de détecter les fluctuations à l’échelle du millimètre, proche de la fréquence cyclotronique électronique.

Ces outils permettent une caractérisation fine des instabilités à petite échelle, essentielle pour établir des comparaisons directes avec les modèles et simulations.

• L’équipe a adapté les équations de Hasegawa-Wakatani pour décrire la dynamique turbulente dans les conditions spécifiques de TORIX (géométrie torique, courbure des lignes de champ, champ électrique d’équilibre). À partir du code pseudo-spectral développé par Özgür Gürcan, des simulations linéaires et non-linéaires ont été réalisées, permettant d’explorer :

  • La génération et la saturation des instabilités,

  • Le couplage entre échelles spatiales,

  • L’impact des structures cohérentes sur le transport radial.

• Cette approche théorie – simulation – expérience permet de valider les modèles et d’enrichir la compréhension de la turbulence dans les plasmas de fusion.

• TORIX est également un support pédagogique pour les étudiants en physique des plasmas. Elle est utilisée dans le cadre de :

  • Travaux Pratiques pour les filières ingénieurs et Masters,

  • Stages de recherche,

  • projets expérimentaux à destination d’étudiants souhaitant s’initier à la recherche sur la fusion magnétique.

• L’environnement expérimental contrôlé et la proximité des chercheurs en font un outil de formation à la recherche unique, au service du renouvellement des compétences dans le domaine stratégique de la fusion.