4/ Réduction des tourbillons

a) Mode H

            On peut affirmer les assertions suivantes :

Selon les paramètres (p, T, n…) du plasma et le chauffage utilisé, le confinement est plus ou moins bon.
Le chauffage auxiliaire dégrade la qualité du confinement magnétique.
L’injection de puissance aggrave les turbulences car confère aux particules qui en sont responsable de l’énergie supplémentaire.

Cela a pour conséquence qu’il est difficile d’attendre les températures requises pour satisfaire au critère de Lawson. Expérimentalement (sur ASDEX en Allemagne dans les années 80) le mode H a été découvert :à partir d’un certain seuil de puissance (Pmin) injecté dans le plasma le confinement est brusquement amélioré. 

-Si P < Pmin on est en mode L (L pour Low)

La qualité du confinement continue à se dégrader au fur et à mesure que l’on injecte de la puissance

-Si P > Pmin on est en mode H (H pour High)

La qualité du confinement est bien meilleure qu’en mode L, sans toutefois obtenir un confinement de la qualité de celui obtenu avec uniquement le chauffage ohmique.

Τ _{mode H} + 2 * Τ _{mode L}

Explications : Le temps de confinement qui augmente est le fruit d’un fort différentiel dans la vitesse de rotation poloïdale des différentes surfaces magnétiques (deux surfaces magnétiques emboîtées ont chacune leur vitesse de rotation poloïdale) 

Toutefois le mode H présente des problèmes: Le profil des gradients relaxe brusquement sur le bord tu Tokamak. On essaye de réduire ces inconvénients

-Les autres modes de confinement améliorés

Le mode H n’est pas l’unique mode de confinement amélioré. D’autres ont été découverts

Mode LHEP (Lower Hybrid Enhanced Performance)

Mode ICRH (Cyclotron Resonant Heating)

Mode FWEH (Fast Wave Electron Heating)

Mode RI (Radiation Improved)

A noter que si le temps de confinement est amélioré on peut réduire la taille des Tokamak.

b) Écoulement cisaillé

Dans un Tokamak, on a tout intérêt à conserver une température élevé au centre et faible sur les bords.
-Une température élevé au centre favorise les réactions de fusion entre deux ions D et T
-Une température faible sur les bords protège la paroi

Donc tout transfert de chaleur du centre vers le bord réduit la qualité du confinement. C'est pour cette raison que l'on doit lutter contre les tourbillons qui diffusent la chaleur

Dans le premier cas, la cellule de convection (le tourbillon) achemine la chaleur du centre sur la paroi. Les conséquences sont que la paroi est exposée à des flux énergétiques qui peuvent l'abîmer et que les réactions de fusion diminuent en nombre au centre car la température diminue

Dans le second cas, le tourbillon est déchiré donc le transfert de chaleur est diminué. Le temps que met une particule à passer du centre à la paroi est augmenté. Donc le coefficient de diffusion thermique et particulaire est réduit.

On cisaille l’écoulement dans la direction poloïdale (le long de la petite circonférence). Ces écoulements déchirent les tourbillons (cellules de convection radicalement allongées, localisés dans la direction poloïdale). Et réduisent donc le transport de chaleur et de particules. Ainsi le temps de confinement est amélioré. Le cisaillement né du différentiel de vitesse d’une surface magnétique à l’autre.
 

Ces cisaillements sont obtenus en introduisant dans le Tokamak un champ électrique E_ au bord du plasma. Ainsi v_E : vitesse de dérive électrique (de même signe pour toutes les charges) est augmentée. Donc la rotation poloïdale est cisaillée. D’où p important au cœur et faible au bord.

Il existe un fort différentiel de vitesse lorsqu'on passe d'une surface magnétique à l'autre. Il en résulte qu'une cellule de convection (qui est à cheval sur plusieurs surfaces magnétiques) est déchirée. C'est assez intuitif: le "haut" du tourbillon est soumis à une vitesse d'ensemble du fluide beaucoup plus élevée que le "bas" donc le tourbillon se déchire.