1/6 COMPOSITION DE PHYSIQUE Quelques aspects de la fusion

X Physique MP 2007 — Énoncé 1/6
ÉCOLEPOLYTECHNIQUEFILIÈREMP
CONCOURSDADMISSION2007
COMPOSITIONDEPHYSIQUE
(Durée :4heures)
Lutilisation descalculatricesestautorisée pourcette épreuve.
⋆ ⋆
Quelquesaspectsdelafusioncontrôlée parconfinementmagnétique
Laréaction defusionquisembletechniquementlaplusréalisable correspond àlafusion de
deuxisotopesdel’hydrogène, ledeutérium(D)etletritium(T).Cetteréactionsécrit:
2
1D+3
1T4
2He+navec l’énergielibérée Ef= +17,6MeV.
Lesproduitsdelaréactionsontdesparticulesalpha(noyauxdhélium4)etdesneutrons.La
fusion nécessiteunetempérature élevée : lesatomes sontalorsentièrementionisés,etpourdécrire
l’étatdelamatièreon parledétatplasma.Ceplasmaestenfermédansune« boîte»spéciale,
appelée tokamak,aumoyen dun champmagnétique.Aprèsunebrève étude cinématiquedela
réaction(partieI),on présenteunemodélisation deladistribution depression dansletokamak
(partieII).DanslapartieIII,unedestechniquesutiliséespourchauerleplasmaestanalysée.
Enn, lapartieIVétudieleproblèmedu connementdesparticuleschargéesparun champ
magnétique.Lesquatreparties sontindépendantes.
Donnéesnumériques:
massesdu protonetdu neutronmpmn=1,67 ×1027 kg
massedel’électronme=9,1×1031 kg
charge élémentairee=1,6×1019 C
constantedeBoltzmann kB=1,38 ×1023 J·K1
perméabilitémagnétiquedu videµ0=4π×107H·m1
Formulaire:
Composantesdu gradientencoordonnéescylindriques(r,θ,z):
=(
r,1
r
θ,
z)
Courbe3D:sabscisse curviligne,~
tvecteurunitairetangent,~nvecteurunitairenormalprincipal,
Rrayon de courbure:
d~r
ds=~
t;d~
t
ds=~n
R
1
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X Physique MP 2007 — Énoncé 2/6
I.Cinématiquedelaréaction
Onsupposequetoutel’énergielibérée parlaréaction defusionsetransforme enénergie
cinétiquedesparticulescréées,eton négligelesénergiescinétiquesdesparticulesincidentes.
1.CalculereneVl’énergie cinétiquedu neutronetcelledelaparticulealpha.
2.Calculerleursvitessesrespectives.
II.Pressionetdensitédu plasma
Danscettepartie,onsupposeleplasmacomposéuniquementd’ionsdeutériumetdélectrons,
connésdansletokamakparle champmagnétique~
B.Chacunedesdeuxespècesest traitée
commeun gaz.
1.On noteneladensitévolumiquedélectrons,ρeleurmassevolumique et~veleurvitesse
moyenne.Demême,on notenDladensitévolumiqued’ions,ρDleurmassevolumique et~vDleur
vitessemoyenne.
Écrireladensitélocalede courantélectrique~
jenfonction desparamètres.
2.Onconsidèrequeleplasmaestlocalementélectriquementneutre entoutpoint.On note
Plapressiontotaleàl’intérieurdu plasma,apriorinon uniforme.
(a)Préciserlesdiversesdensitésvolumiquesdeforce agissantdansleplasma;en déduire
l’équationsatisfaiteparleplasmaenrégimepermanent.
(b)Montrerqueleslignesde courantetleslignesde champmagnétiquesontisobares.
3.Leplasmacirculeàl’intérieurdun cylindredaxezz,derayona,pourlequelonchoisitles
coordonnéescylindriques(ρ, ϕ,z)adaptées(gure1);un solénoïde crée un champmagnétique
(0,0,Bz)uniformedansle cylindre.Cetensemble constitueun modèlesimpliédu tokamak.
z
x
y
z
O
jz
ϕ
ρ
I
Figure1
2
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X Physique MP 2007 — Énoncé 3/6
(a)Onsupposeladensitéde courant~
j=jz~ezuniforme.Déterminerle champmagnétique
additionnelcréé parce courant.
(b)En déduire,avec ceshypothèses, leproldepressionP(ρ)àl’intérieurdu cylindre,
lapression devenantnulleàlaparoiρ=a.
(c)Lavaleurcaractéristiquedu champmagnétiquegénéréparlesolénoïde estBz4T,
etlacomposanteadditionnelle créée par~
jestdel’ordrede10%deBzenρ=a.
Calculerlapressionsurl’axedu cylindre(ρ=0).
4.Onsupposeque chaque espèce chargée se comporte commeun gazparfaitmonoatomique.
(a)Ona obtenu parchauagelatempératureTtellequekBT=10 keVsurl’axedu
cylindre.CalculerTenKelvin.Évaluerladensitévolumiqued’ionscorrespondante.
(b)Laconditionàsatisfairepourquel’énergieproduiteparlesréactionsdefusionsoit
supérieureàl’énergie consommée parletokamakestle«critèredeLawson » reliant
ladensitévolumiquenDd’ions, leur températureTetleurdurée de connementτ;
numériquementτnD(kBT)>1021 keV·m3·s.
Avec lesvaleursnumériquesprécédentes,évaluerladurée minimalede connement
nécessairepourquele critèredeLawsonsoitvérié.
III.Chauagedu plasma
Pour réaliserlafusion, il fautunetempératuretrèsélevée.Nousallonsétudierunedes
techniquesde chauageutilisées.
1.Dansun plasma,uneondelongitudinaledepression(du typeonde«sonore»)est
souventaccompagnée dun champélectriquelongitudinal ; ce typedonde,sanschampmagné-
tique,estappelée «onde électrostatique».Soitunetelleondeplane,donnée parson potentiel
Φ=Φ0cos(ω1tkx).On noteracΦlaléritédel’onde.Le choixdesoriginesest telque
qΦ0>0.
(a)DansleréférentielgaliléenRdu laboratoire,écrirel’équation du mouvementdune
particule chargée,de coordonnées(x,y,z),en présence de cetteonde.
(b)Àl’aidedun changementderéférentieladéquat,ramenercette équationàl’équa-
tion du mouvementdansun champ deforcesindépendantdu temps.En déduireune
constanteEdu mouvement,correspondantàlénergiedanslenouveauréférentielR’.
(c)PréciserdansR’ lestypesdemouvementpossiblesetdécrirelesdiérentesformesdu
portraitdephaseauxquellesellescorrespondent.
Préciseren particulierleséquationsdescourbesquiséparentdansleplan dephase
cesdiverstypesdemouvement;on poseraδ=2»qΦ0/m.
(d)Montreraumoyen du portraitdephasequelesparticulesdontlesvitessesinitiales
selonxdansRsontcomprisesdansl’intervalle]cφδ,cφ+δ[peuventêtre« piégées»
parle champélectrique.Montrerquepouruneparticulepiégée, lavaleurmoyennede
lacomposantevxdesavitessedansR,surun temps susammentlong,estégaleà
cφ.
3
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X Physique MP 2007 — Énoncé 4/6
2.Onconsidèreàprésentunepopulation departiculeschargées.Al’instantinitialt=0,
leur répartitionspatiale estuniforme,etleursvitesses suivantl’axexsontdistribuées selon
unegaussienne: laprobabilitépourquevxsoitdansl’intervalle[vx,vx+dvx]estp(vx)dvx=
A(T)exp(mv2
x/2kBT)dvx,oùTdésignelatempérature.
(a)Tracerl’alluredu graphedelafonctionp(vx).
(b)On « allume»àt=0l’onde électrostatiqueΦ.Onrappellequelatempérature est
proportionnelleaucarrédelavitessequadratiquemoyenne.Onsupposequeδ/cΦest
petitdevantun.Enexploitantl’alluredu graphedep(vx)auvoisinagedecφ,expliquer
qualitativementpourquoi lepiégeagedesparticulesparl’onde chaueleplasma.
(c)PourquellevaleurdecΦarrive-t-onàréchauerleplusdeparticules?
IV.Confinementmagnétique
1.Onconsidèreuneparticulede chargeqévoluantdansun champmagnétiqueindépendantdu
temps.On note~ex,~ey,~ezlesvecteursunitairesdun trièdretrirectangledirectOxyzderéférence.
(a)Commentévoluel’énergie cinétiquedelaparticule?
(b)Onconsidèreun champmagnétiqueuniforme~
B=B~ezavec B>0.Déterminerle
mouvementdelaparticuleavec lesconditionsinitiales~r(0)=~
0etvitesse~u(0)=
u0
~ex+uz~ez.PréciserlapulsationetlerayonrLdegiration.
(c)Lesionsetlesélectronsontune énergiedagitationthermiquedel’ordrede10 keV.
Donnerl’ordredegrandeurdeetderLpourlesionspuispourlesélectronsavec
B=4T.
(d)DansleplanxOy,enassimilantlemouvementdune chargeàunespire,montrerque
lemomentmagnétiqueassociésécrit~µ=µ~ezavec µ=qu2
/2oùu=k~uk,
~uétantlavitessedansce plan.
(e)Évaluerl’énergie cinétiquetransverse1
2mu2
enfonction de~µet~
B.
2.Onconsidèremaintenantun champmagnétiquenon uniforme~
B=B(x,y,z)~
b,avec k~
bk=1
etk~
Bk=Bdel’ordredu Tesla.Onsupposequele champvarietrèspeu,envaleur relative,sur
desdistancesdel’ordrederL.Lemouvementduneparticulede chargeqcomprend alorsun
mouvementdegiration « rapide»orthogonal localementà~
Betun mouvement«lent» de
vitesse~
U.Onadmetquelemouvementlentestceluidun systèmedevitesse~
U,portantune
chargeqetun momentmagnétique~µ=µ~
b.
(a)Laforce sexerçantsurun dipôlemagnétique~µsécrit
~
F= ~µ·~
B
x,~µ·~
B
y,~µ·~
B
z!.
Pour~µ=µ~
b,montrerque cetteforce sécritégalement~
F=µ
B.
(b)Oneectuel’hypothèseque~
Uestparallèleà~
B,soit~
U=Uk~
b.Donnerl’équation
diérentiellequedoitsatisfaire~
U.
4
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X Physique MP 2007 — Énoncé 5/6
(c)On désigneparKl’énergie cinétiqueassociée aumouvementlent.
MontrerquedK
dt+µdB
dt=0.
Onrappellequepour toutefonctionf(~r(t)) :df
dt=d~r
dt·
f.
(d)Soit~ulavitessedu mouvementdegiration.Onadmetqueµestdonnéparlamême
expressionquen1.d.Eectuerun bilanglobaldénergie cinétique eten déduireque
µestune constante.
(e)Lhypothèse eectuée en2.bestune excellenteapproximation.Cependant, l’équation
du mouvementnepeutêtresatisfaite engénéralquesi~
Ucomporteune composante
~
Uorthogonaleà~
B.Compléteralorsl’équation du mouvementobtenue en2.b pour
entenircompte.
(f)En déduire,ensupposantlesvariationstemporellesde~
Unégligeables,que~
Uest
donnépar:
~
UU2
k
R~
b~n+µ
m~
b
B.(1)
oùRestlerayon de courburedelalignede champet~nlevecteurnormalunitaire.
Indication:oncalculera~
bd~
U
dteton utiliseral’expression deobtenue en1.b.
3.Pourconnerlesparticuleschargéescomposantleplasma,uneidée naturelle estdefermer
leslignesde champ.Dansce buton utiliseun solénoïdetorique.On utiliseralescoordonnées
cylindriques(r,θ,z)delagure2.
a
z
y
M(r,θ,z)
z
r
x
θ
O
RC
I
Figure2
(a)SoitNlenombretotaldespires;calculerle champmagnétique créé parlesolénoïde
lorsqu’il estparcouru parun courantcontinu d’intensitéI.
(b)Expliciterlesdeuxtermesdansl’expression(1)donnant~
Uenfonction deKketK,
contributionsdeUketuàl’énergie cinétique en notantα=qµ0NI/2π;expliquer
pourquoiun telchamp nepeutconnerlesparticulesindéniment.
(c)Écrireleséquationsdu mouvementduneparticule chargée de coordonnées(r,θ,z)
dansce champmagnétiquetorique.
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