et Respectueux de l`environnement - What is ITER

Laboratoire de Physique des Plasmas
ERM-KMS
Inépuisable,
Les combustibles primaires du réacteur sont le deutérium et le tritium. Le deutérium peut s’extraire
en grande quantité de l’eau de mer. Ce qui rend chaque pays moins dépendant de livraisons de
combustible en provenance d’autres parties de la planète. Une faible quantité de ce combustible suffit
d’ailleurs à couvrir les besoins en électricité d’un européen moyen durant toute sa vie: environ 10
grammes de deutérium et 15 grammes de tritium. Avec la fusion thermonucléaire, l’humanité
disposerait d’une source d’énergie pour plusieurs milliers d'années.
Sûr …
La quantité de combustible présente à chaque instant dans le réacteur, quelques grammes, est très
faible. Ce qui s’oppose de manière radicale à la présence de tonnes de combustible pendant plusieurs
mois dans le cœur d’un réacteur de fission nucléaire. Le processus de fusion ne dépend pas d’une
réaction en chaîne et ne peut donner lieu à un emballement du réacteur. La moindre perturbation des
conditions de réaction, par exemple l’extinction du champ magnétique, conduit à l’arrêt immédiat du
dégagement d’énergie. Des accidents semblables à celui de Tchernobyl sont donc totalement exclus.
et Respectueux de l'environnement !
Un des grands avantages de la fusion thermonucléaire réside en l’absence de tout déchet radioactif de
longue durée de vie, tels qu’ils sont produits lors de l’utilisation de substances fissiles. Le produit
des réactions de fusion est l’hélium, un gaz noble, chimiquement inerte et non radioactif. Ne sont donc
pas non plus produits des gaz qui contribueraient à aggraver l’effet de serre, les pluies acides, ou la
disparition de la couche d’ozone.
Un désavantage de la réaction deutérium-tritium est la
production de neutrons très énergétiques qui peuvent
activer les matériaux de construction du réacteur. Afin de
limiter au maximum ce problème, on peut utiliser des
matériaux de parois spéciaux (alliage au vanadium,
SiC,…) qui s'activent moins. Des études récentes ont
montré qu'un réacteur de fusion à basse activation est
environ un million de fois moins radioactif qu'un
réacteur de fission de la même puissance en acier
inoxydable, un an après l'arrêt et après une opération de
trente ans. Après environ 50 ans, le niveau de
rayonnement retombe au niveau, non dangereux, de celui
d'une centrale à charbon classique. La fusion ne pose
donc le problème de la radioactivité qu'à la génération qui
la génère.
D'après les plans mentionnés, il apparaît clairement qu'il faudra encore quelques années avant de
faire de la fusion une source d'énergie à part entière. Les résultats récents de la recherche
internationale montrent les réelles perspectives qu'offrent la fusion.
La génération d'énergie par la fusion voit doucement le jour.
La Fusion: une source d'énergie pour le futur
http://fusion.rma.ac.
Laboratoire de Physique des Plasmas
Brochure
d'information sur
la Fusion
Jef Ongena, Dirk Van Eester, Frédéric Durodié et Pierre Dumortier
Laboratoire de Physique des Plasmas - Laboratorium voor Plasma Fysica
Association «EURATOM - Etat Belge» - Associatie «EURATOM - Belgische Staat»
Ecole Royale Militaire - Koninklijke Militaire School
30, Av. de la Renaissance - B 1000 Brussels - Kunstherlevinglaan 30
La Fusion: une source d'énergie pour le futur
ERM-KMS
Laboratoire de Physique des Plasmas
ERM-KMS
La recherche en fusion :
pour quoi faire ?
D’après de récentes estimations, les réserves de combustible fossile ne permettront de satisfaire
tout au plus que quelques centaines d’années aux besoins en énergie sans cesse croissants de notre
société industrielle.
Mais bien avant qu’une grave pénurie de ces combustibles ne se fasse sentir, un autre problème
surgira: la combustion en masse de ces matières libère en effet des gaz nuisibles qui modifient la
composition de notre atmosphère avec pour conséquence des effets néfastes sur le climat. Des gaz
tels que le SO2 ou les NOx produisent les pluies acides tandis que d'autres participent à la
destruction de l'indispensable couche d'ozone. Le produit de la réaction de combustion lui-même, le
CO2, n'est pas sans poser de problèmes. Cette molécule absorbe une partie du rayonnement
infrarouge renvoyé par la terre vers l'univers et, en d'autres termes, rend plus difficile le
refroidissement de notre planète. Au plus ce gaz est présent dans l'atmosphère, au plus difficile est
le refroidissement et au plus chaude devient notre planète: c'est l'effet de serre.
Combien de temps encore pouvons-nous continuer à produire en masse ce gaz à effet de serre et
quels en seront les effets sur notre climat ? Alors que certains chercheurs énoncent prudemment le
risque d’un changement climatique si un frein n’est pas mis à la production des gaz à effet de serre,
d’autres n’hésitent pas à déclarer que la puissance d’“El Niño”, phénomène climatique périodique,
et des tempêtes et inondations qui l’accompagnent, est une conséquence indirecte de notre politique
énergétique.
Devons-nous vraiment attendre qu'il soit trop tard, alors qu'il semble déjà tard pour intervenir ? Cet
argument pourrait à lui seul justifier de la nécessité de la recherche de méthodes alternatives de
production d’énergie. Il est cependant loin d’être le seul et, parmi les nombreux avantages de cellesci, le moindre ne réside certainement pas dans l’utilisation bien plus intelligente qui pourrait être
faite des réserves disponibles de combustibles fossiles. La dépendance des industries chimiques et
pharmaceutiques vis-à-vis des produits dérivés du pétrole fait en effet apparaître la combustion
pure et simple de ces précieuses substances comme une véritable tragédie.
Travailler pour la fusion c’est travailler pour le futur. La fusion offre au chercheur
beaucoup de ces défis scientifiques et technologiques qui rendent la recherche tellement
passionnante.
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ITER
Les résultats obtenus sur JET ont permis à la communauté de la fusion de conclure
que la prochaine étape en vue de l’application commerciale de la fusion comme
méthode de production d’électricité peut être entreprise. Ce passage du breakeven à
l’ignition se passera dans ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
Ce tokamak devrait être construit au début du siècle prochain par l’Europe, les EtatsUnis, la Russie et le Japon et devrait, comme attendu d’un réacteur commercial de
fusion, développer une puissance de 1000 MW par tranches d’impulsions de 1500
secondes. Cette machine devrait rester opérationnelle jusqu’en 2020, voire 2030.
L’étape ultime, après ITER, est la construction d’un réacteur de démonstration,
DEMO, qui devra prouver que la fusion est non seulement réalisable sur le plan
technologique, mais qu’elle peut également être rentable économiquement. Les plans
précis de ce réacteur ne pourront naturellement s’ébaucher que lorsqu’ ITER aura
opéré avec succès.
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J E T
Les chercheurs du J E T (Joint
European Torus, Abingdon, Royaume
Uni), le plus grand tokamak du monde,
ont démontré avec succès qu’il est
possible de produire de grandes
quantités d’énergie (16 millions de
Watts) grâce aux réactions de fusion
dans un plasma deutérium-tritium.
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Réactions de fusion nucléaire
La fusion nucléaire consiste en un processus exothermique durant lequel des noyaux atomiques
légers fusionnent en un noyau plus lourd. Une infime fraction de la masse des réactifs est alors
convertie en énergie, suivant la célèbre formule d’Einstein:
E=mc2
La fusion est la plus importante source d’énergie de l’Univers. Les étoiles, parmi lesquelles le soleil,
tirent leur énergie d’une série de réactions de fusion. Au centre du soleil, à une température de 10 à
15 millions de degrés, l’hydrogène se trouve ainsi transformé en hélium. A l’issue de ces réactions,
seuls 0.7% de la masse originelle auront été convertis en énergie. Ce processus de production
d’énergie n’est cependant guère réalisable sur terre – les probabilités de réactions correspondantes
sont en effet beaucoup trop faibles. C’est l’énorme pression qui règne au centre du soleil qui garantit
malgré tout un nombre suffisant de réactions pour que l’astre puisse ‘brûler’ de façon continue. A
chaque seconde, ce sont environ 600 millions de tonnes d’hydrogène qui s’y transforment en 596
millions de tonnes d’hélium; quatre millions de tonnes de matière y ‘disparaissent’ de la sorte sous
forme d’énergie.
Les réactions de fusion les moins difficiles à réaliser sur Terre sont:
D+T
D+D
D+D
D + 3He
→
→
→
→
4
He (3,5 MeV)
He (0,82 MeV)
T (1,01 MeV)
4
He (3,6 MeV)
3
+
+
+
+
n (14,1 MeV)
n (2,45 MeV)
H (3,02 MeV)
H (14,7 MeV)
(50 %)
(50 %)
H, D, T, 4He et n représentent respectivement les noyaux d’hydrogène (protons), de deutérium, de
tritium, d’hélium et les neutrons. 3He est un isotope stable de l’hélium dont le noyau ne contient
qu’un neutron. De ces quatre réactions, c’est la réaction D-T qui est la plus probable. Les valeurs
entre parenthèses correspondent à l’énergie libérée, exprimée en électronvolts, une unité de mesure
fréquemment utilisée en physique nucléaire. Un électron-volt est l’énergie qu’acquiert une particule
de charge électrique unitaire en traversant une différence de potentiel de un Volt. Cela équivaut à
1,602 10-19 Joule. La grande quantité d’énergie ainsi libérée - environ un million de fois l’énergie
dégagée par une réaction chimique exothermique - fait en sorte qu’une très faible quantité de
combustible est nécessaire. Pour faire fonctionner une centrale électrique de 1000 MW de façon
continue pendant un an, il faut brûler environ 2,7 milliards de kilogrammes de charbon. La même
quantité d’énergie peut être obtenue par la fusion de 250 kilogrammes d’un mélange composé de
50% de deutérium et de 50% de tritium. Le deutérium est un isotope stable de l’hydrogène dont le
noyau se compose d’un proton et d’un neutron. Il est présent dans l’eau de mer à raison de 0,015%.
Quant au tritium, c’est un autre isotope de l’hydrogène dont le noyau contient cette fois un proton
et deux neutrons. Contrairement au deutérium, le tritium est un élément radioactif. C’est un émetteur
bêta d’une durée de vie de 12,3 ans. C’est la raison pour laquelle il n’est pas présent à l’état naturel.
On peut néanmoins le produire artificiellement en bombardant du lithium avec des neutrons.
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Conditions nécessaires à la fusion
La fusion nucléaire consiste en deux noyaux atomiques légers qui se fondent en un noyau atomique
plus lourd. Ce processus libère de l’énergie. Toute la difficulté vient du fait que les noyaux, tous de
charge électrique positive, se repoussent mutuellement. Cet écueil paraît facile à surmonter: il
suffirait de communiquer aux noyaux une énergie suffisante pour franchir la barrière répulsive.
Pourquoi dès lors ne pas utiliser des accélérateurs de particules pour les faire entrer en collision ? La
probabilité de fusion de deux noyaux par ce procédé est en réalité extrêmement faible, les noyaux ont
beaucoup plus de chances de simplement rebondir l’un sur l’autre. Le soleil semble nous indiquer
une autre voie: les noyaux y sont en effet portés à de telles températures et y sont présents en de
telles quantités qu’il s’y produit suffisamment de collisions que pour obtenir un bilan énergétique
globalement positif. La réalisation concrète de la fusion consiste donc en la création de soleils
miniatures. Deux questions se posent alors: comment atteindre de telles températures et comment
confiner le mélange ainsi produit ?
Réalisation pratique de la fusion
Deux filières sont essentiellement étudiées en vue de réaliser la fusion sur terre: celle de la fusion par
confinement inertiel et celle de la fusion par confinement magnétique. Cette dernière voie est celle
qui, jusqu’à présent, a obtenu les meilleurs résultats.
Dans le cas de la fusion inertielle, les réactions de fusion ont lieu dans le court intervalle de temps
pendant lequel le combustible demeure confiné sous l’effet de l’inertie de sa propre masse. De
gigantesques installations contiennent de puissants lasers qui doivent chauffer une minuscule pastille
de combustible jusqu’à atteindre les conditions de température et de pression requises pour la
fusion.
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Collaboration Internationale
La fusion nucléaire est par excellence un domaine où un large éventail de savoir-faire et de
technologies de pointe est exigé. C’est la raison pour laquelle la recherche en fusion se déroule dans
un cadre international. La Communauté Européenne y consacre chaque année un budget de 800
millions d’EURO. Des accords d’association sont passés entre la Communauté Européenne d’une
part et les différents états membres ainsi que la Suisse d’autre part. Les différents laboratoires
mettent ainsi leur expérience spécifique au service de l’intérêt collectif: d’aucuns s’ingénient à
améliorer le confinement ou le chauffage, d’autres à maîtriser les interactions plasma-paroi,… .Les
nouveaux concepts sont d’abord testés sur de relativement petites installations et, s’ils s’avèrent
prometteurs, essayés sur le JET, le cheval de bataille de la recherche en fusion de la Communauté
Européenne. Le tableau ci-dessous reprend les paramètres des principaux tokamaks.
Machine
TEXTOR94
Pays
Allemagne Royaume Uni
Organisation
JET
Tore
Supra
TCV
TFTR
ITER
(nov.1996)
France
Suisse
USA
International
CEA
EPFL
PPPL
FZJ
EURATOM
Forme du plasma
Circulaire
En forme de
D
Rayon mineur (m)
0.46
1.25
0.78
0.24
0.85
2.8
Rayon majeur (m)
Champ magnétique
toroïdal (T)
Courant de plasma
(MA)
Durée d’impulsion
(s)
Puissance NBI
(MW)
Puissance RF (MW)
1.75
2.96
2.38
0.875
2.48
8.14
2.6
3.5
4.5
1.43
5.2
5.7
0.8
7.0
1.6
1.2
3.0
21
10
60
120
2
5
1300
4
24
4
-
33
à l'étude
4
42
18
4.5
8
à l'étude
Circulaire Variable Circulaire
En forme de
D
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Situation et perspectives
Quand une expérience de fusion est-elle réussie ? De bonnes mesures de la réussite
d'une expérience sont le produit de fusion et le facteur d'amplification de puissance.
Le produit de fusion est le produit de la température du plasma T, de la densité
du plasma n et du temps de confinement de l'énergie τ. Le temps de confinement
τ représente la durée caractéristique pendant laquelle l’énergie demeure confinée dans
le plasma, malgré la conductibilité calorifique, le transport de particules et les pertes
par rayonnement électromagnétique. L’amplification de puissance est le rapport
entre la puissance produite par les réactions de fusion et la puissance totale fournie
pour le chauffage du plasma. Le critère de Lawson nous apprend que, pour une
amplification de puissance donnée, le produit de fusion n T τ doit dépasser un certain
seuil. On peut s’en convaincre intuitivement: le combustible, présent à une densité
suffisante, doit atteindre suffisamment longtemps une température suffisante pour
initier des réactions de fusion en assez grand nombre. La valeur du produit n T τ
montre ainsi la distance qui nous sépare de l’amplification voulue, à un
moment donné.
On considère deux paliers distincts. Le premier, nommé breakeven, est atteint quand la
puissance libérée par les réactions de fusion égale la puissance apportée de l’extérieur,
ce qui correspond à un facteur d’amplification de 1. Le deuxième, l’ignition, est
atteint quand il n’est plus nécessaire
d’apporter de l’énergie extérieure;
on se trouve donc dans un régime
a u t o - e n t r e t e n u . Ce régime
correspond, à une amplification de
puissance tendant vers l’infini.
Les progrès de la recherche sur la
fusion au cours des trente dernières
années se mesurent dans l’évolution
des
produits
de
fusion
successivement atteints dans les
différentes machines: les valeurs
initiales ont crû de façon
spectaculaire, d’un facteur supérieur
à 10 000.
Les résultats de la machine
européenne JET (Joint European
Torus) ont apporté à ce progrès une
contribution essentielle. On en est
presque à la valeur requise pour le
‘breakeven’ (Nov. 1996).
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La seconde méthode est celle de la fusion magnétique. On y fait usage de puissants champs
magnétiques afin de contraindre les particules chargées qui composent le plasma à suivre des
trajectoires prédéfinies.
Le plasma est le quatrième état d’agrégation de la matière. Le chauffage d’un corps l’amène à passer
de l’état solide à l’état liquide, puis l’état gazeux. Si l’on pousse encore le chauffage de ce corps, il
viendra un moment où les électrons se sépareront du noyau. C’est le plasma.
Dans un plasma, les électrons et les ions sont libres de se mouvoir en tous sens (en haut). Un champ
magnétique extérieur permet de confiner le plasma dans un cylindre (en bas). Les particules,
électriquement chargées, suivent des trajectoires qui s’enroulent autour des lignes de champ
magnétique. Le plasma peut cependant s’échapper aux extrémités.
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Pour éviter que le plasma ne s’échappe aux extrémités du cylindre, on le referme de manière à
obtenir un anneau ou tore. Afin de confiner le plasma de façon stable dans cette configuration, il est
nécessaire de rendre les lignes de champ magnétique hélicoïdales. Cela se fait dans le tokamak en
induisant un courant électrique dans le plasma, qui joue aussi le rôle d’enroulement secondaire d’un
transformateur.
Le tokamak est le type de machine à confinement magnétique qui a rencontré le plus de succès.
Chauffage du plasma
Trois méthodes sont principalement utilisées pour chauffer le plasma et atteindre des hautes
températures. Le courant de plasma chauffe le plasma par effet Joule. Complémentairement, on peut
chauffer le plasma par ondes électromagnétiques ou par l’injection de particules neutres très
énergétiques.
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Le Radiative Improved Mode (RI-Mode) est un régime d’opération intéressant pour les grands
tokamaks contenant des plasmas très chauds. Un des problèmes majeurs de ces tokamaks est que la
trop grande concentration de flux de particules ou de chaleur en certains points du tokamak,
appelés points chauds (“hot spots”), provoque la libération d’impuretés de la paroi. La présence de
ces impuretés est rédhibitoire car elles risquent d’éteindre la réaction. Le RI-Mode permet la
création d’une couche rayonnante enveloppant le plasma qui a pour effet de distribuer le flux de
chaleur sur une surface beaucoup plus grande. Ce qui évite les points chauds.
La photo montre l’intérieur de TEXTOR-94. Elle a été prise lors d’une expérience. Au centre du
plasma, les ions et les électrons se meuvent indépendamment les uns des autres. Dans les couches
les plus externes, là où la température est suffisamment basse pour que des paires électrons-ions
(atomes) puissent se former, de la lumière est émise par le changement d’état d’excitation des
électrons. Aux endroits où le plasma touche les limiteurs (en haut, en bas et à gauche sur la photo),
ceux-ci sont chauffés et une lumière intense est visible. Les boîtes d’antennes (au centre de la photo)
sont aussi chauffées au contact des particules.
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Le Trilateral Euregio Cluster (TEC)
Depuis le 31 mai 1996, le laboratoire forme, avec l’IPP-FZJ (Institut für PlasmaphysikForschungszentrum, Jülich, Allemagne) et le FOM Instituut (Fundamenteel Onderzoek van de
Materie, Rijnhuizen, Pays-Bas) le "Trilateral Euregio Cluster". Ce regroupement de centres de
recherche, extension de la collaboration entamée en 1981 entre le LPP-ERM/KMS et l’IPP-FZJ, est
actuellement centrée sur TEXTOR-94 et se propose de réaliser un programme commun de recherche
en fusion entre la Rhénanie du Nord-Westphalie (Allemagne), les Pays-Bas et la Belgique. Le LPPERM/KMS est responsable du système RF de ce tokamak.
TEXTOR-94
TEXTOR-94, la machine qu’utilisent les partenaires du TEC pour leurs expériences, est un exemple
d’installation de taille moyenne et de section circulaire. TEXTOR (Torus EXperiment for
Technology Oriented Research) a été conçu afin d’étudier les interactions entre le plasma chaud et
la paroi. Le plasma est chauffé par effet Joule. Du chauffage additionnel peut être fourni par l’envoi
d’ondes électromagnétiques (ICRH: Ion Cyclotron Resonance Heating) ou l’injection de particules
neutres rapides (NBI: Neutral Beam Injection). Les installations ICRH et NBI peuvent chacune
délivrer une puissance de 4 MW durant 10 secondes, soit huit fois la puissance du plus puissant des
émetteurs de la RTBF. Deux percées importantes permises par TEXTOR-94 sont le
conditionnement de la paroi et le RI-Mode. Le conditionnement de la paroi avec des matériaux de
faible masse atomique (donc de faible charge électrique) garantit un plasma plus pur et de meilleures
performances de la machine. La carbonisation et la boronisation de la cuve du réacteur sont des
techniques qui, depuis, se sont imposées au niveau mondial.
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La centrale électrique de fusion
Il reste encore de nombreux obstacles à franchir avant qu’un réacteur de fusion thermonucléaire ne
soit utilisé commercialement pour produire de l’électricité. Le concept d’un futur réacteur, sur base
d’un tokamak, est illustré ci-dessus. En raison de leur probabilité de fusion plus élevée, le deutérium
et le tritium sont les combustibles de choix pour les premiers réacteurs. Electriquement chargés, les
produits de la réaction (particules alpha) sont retenus par le champ magnétique de confinement. Ces
noyaux d’hélium de haute énergie entrent en collision avec le plasma de fond, donc avec les
combustibles D et T; ce processus permet de maintenir la température du plasma (chauffage par les
particules alpha) et d’arrêter le chauffage additionnel dès que l’ignition est atteinte. Aussi le principe
de fonctionnement d’un réacteur de fusion n’est-il pas plus compliqué que celui d’un four
conventionnel, dans lequel la chaleur dégagée par la combustion sert à maintenir la température du
four et à échauffer le combustible froid. A l’opposé des noyaux d’hélium, les neutrons, dépourvus
de charge électrique, s’échappent immédiatement de la chambre à plasma. Ils sont utilisés pour la
production de tritium dans le manteau de lithium qui ceinture le réacteur. De plus, l’énergie qu’ils y
déposent est convertie en chaleur qui par un schéma classique (échangeur – générateur de vapeur –
turbine – alternateur) est à son tour convertie en électricité.
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Le Laboratoire de Physique des
Plasmas
Divers aspects de la fusion nucléaire sont étudiés au Laboratoire de Physique des Plasmas de l’Ecole
Royale Militaire (LPP – ERM/KMS), qui fait partie de l’Association "Euratom-Etat Belge", tant
du point de vue théorique qu’expérimental. Le chauffage du plasma y constitue l’épine dorsale de
la recherche mais d’autres sujets tels que la dynamique du confinement et par conséquent les
phénomènes de transport des particules et de l’énergie qui en constituent le fondement y sont
étudiés. Une des méthodes utilisées pour chauffer le plasma jusqu’à des températures qui
permettent la fusion est basée sur l’envoi d’ondes électromagnétiques. Le principe est celui des
fours à micro-ondes. Les ondes sont envoyées dans le plasma à l’aide d’antennes disposées près du
bord de celui-ci. La fréquence de ces ondes est choisie de telle sorte que les particules puissent
facilement entrer en résonance et ainsi capter l’énergie des ondes. Comme cette fréquence tombe
dans le domaine des ondes radio, on parle de chauffage RF (Radio Frequency).
Le laboratoire est responsable du système de chauffage RF du tokamak TEXTOR-94 à Jülich en
Allemagne.
Générateur haute fréquence haute puissance (2MW)
Les générateurs haute fréquence génèrent des ondes électromagnétiques d’une fréquence choisie entre
25 et 38 MHz. Les émetteurs de TEXTOR-94 consistent en une chaîne d’amplificateurs couplés.
Des tétrodes de puissance sont utilisées dans trois des quatre étages d’amplification. La photo
montre les panneaux de contrôle de l’installation.
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Antennes
La photo de gauche montre une paire d’antennes. Les conducteurs centraux des antennes sont
clairement visibles. Pour éviter la propagation d’ondes dans le bord du plasma, les antennes peuvent
être pourvues d’écrans de Faraday (photo de droite).
Adaptation de l’impédance d’antenne en présence de plasma
Les deux générateurs de TEXTOR-94 ne
peuvent délivrer leur puissance maximale qu’à
une charge de 50 Ohms. Etant donné la
variation des paramètres caractéristiques du
plasma tels que la densité et la position,
l’antenne se comporte comme une charge
variable. Un système est donc nécessaire pour
adapter l’impédance de l’antenne à celle
requise à la sortie du générateur. La photo
montre le système qui permet d’adapter
l’impédance en 50 ms.
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