La physique des plasmas

Le plasma : un état de la matière à part entière

Le plasma est souvent considéré comme le quatrième état de la matière, aux côtés des états solide, liquide et gazeux. Il s’agit d’un gaz partiellement ou totalement ionisé, contenant une proportion significative de particules chargées (ions et électrons) capables de réagir à des champs électriques et magnétiques, contrairement aux gaz neutres.

Cette interaction électromagnétique induit des comportements collectifs caractéristiques, souvent à grande échelle, avec des fluctuations, oscillations et instabilités dynamiques. L’immense diversité des plasmas découle de plusieurs paramètres : la nature des espèces présentes, le taux d’ionisation, l’énergie des particules, la température électronique et l’environnement magnétique.

Bien que rare dans les conditions naturelles terrestres, le plasma constitue plus de 99 % de l’univers visible. Il peut néanmoins être créé et contrôlé sur Terre, ouvrant la voie à de nombreuses applications scientifiques, technologiques et industrielles.

Une classification des plasmas

Les plasmas peuvent être représentés dans un diagramme densité–température électronique, mettant en évidence la variété des domaines explorés :

• Plasmas naturels : astrosphères, vent solaire, magnétosphères planétaires, etc.
• Plasmas de laboratoire : plasmas froids pour les procédés industriels, plasmas de fusion, Z-pinches...
• Plasmas hors équilibre : électrons très chauds, milieux faiblement ionisés...

La figure ci-dessous présente une classification des plasmas par leur énergie, caractérisée par la température électronique, et leur densité de particules chargées.

Les plasmas spatiaux

• Le plasma est omniprésent dans l’espace : soleil, milieu interplanétaire, magnétosphères, ionosphères, comètes, étoiles, nébuleuses, etc. Au-delà de 100 km d’altitude, la quasi-totalité de la matière visible est sous forme de plasma.
• Densités très faibles, mais températures très élevées
  • Plasmas partiellement ou totalement ionisés
  • Présence de champs magnétiques structurants : confinement, guidage, reconnexion
• Une propriété remarquable des plasmas spatiaux est leur capacité à former des interfaces nettes entre milieux de nature différente, générant des phénomènes comme :
  • Des champs électriques d’échelle astrophysique,
  • Des courants à grande distance,
  • Des instabilités magnétiques.

• Focus sur le vent solaire
  • Le vent solaire, composé principalement de protons et d’électrons, est un plasma supersonique éjecté par le Soleil à près de 500 km/s. Il transporte le champ magnétique solaire dans le milieu interplanétaire.
  • En entrant en interaction avec la magnétosphère terrestre, il génère :
    • Une onde de choc,
    • Une compression côté jour,
    • Une longue queue magnétique côté nuit,
    • Une distribution complexe du plasma dans différentes régions (plasmasheet, lobes, ceintures...).
  • Ce couplage dynamique est à l’origine de phénomènes spectaculaires : aurores polaires, orages magnétiques, accélérations de particules, etc.

Les plasmas froids

Les plasmas froids sont des milieux hors équilibre thermodynamique :

• Ions et neutres : 100 – 1 000 K
• Électrons : jusqu’à 10⁴ – 10⁵ K

Cette dissymétrie énergétique permet la génération efficace d’espèces réactives (ions, radicaux), utilisées pour :

• la stérilisation et la décontamination (air, eau, surfaces),
• les procédés industriels (dépôt, gravure, traitements de surface),
• la propulsion spatiale à basse pression.

Les plasmas froids combinent fort potentiel applicatif et physique complexe, faisant d’eux un domaine de recherche interdisciplinaire à forte valeur technologique.

Les plasmas de fusion

• Le défi majeur de la physique des plasmas contemporaine est de reproduire sur Terre les réactions thermonucléaires qui alimentent les étoiles. L’objectif : produire une énergie propre, sûre et inépuisable.
• La réaction deutérium–tritium : 1D² + 1T³ → 2He⁴ + n⁰ + 17,6 MeV
• Le critère de Lawson : pour qu’un plasma de fusion soit auto-entretenu, il doit satisfaire : n × T × tₑ > 5 × 10²¹ keV·s/m³
• Le projet ITER : Premier réacteur basé sur un tokamak capable d’atteindre ce critère. Le plasma y est confiné magnétiquement à 150 millions de kelvins. Les défis restent nombreux :
  • Maîtrise du confinement et de la turbulence,
  • Production de tritium,
  • Développement de matériaux résistants aux neutrons rapides.