Contre les disruptions, ASDEX Upgrade opte pour la pluie de glaçons
--Stefan Jachmich, Science Division
La technologie d'injection de glaçons fragmentés consiste à produire des glaçons cryogéniques et à les projeter à grande vitesse vers une unité de fragmentation, où ils sont désintégrés en une pluie de petits fragments qui sont ensuite injectés dans la chambre à vide. Ces minuscules particules glacées pénètrent dans le plasma où elles se vaporisent en produisant la quantité et le type de matière requis pour le processus d'amortissement. Le système d'atténuation des disruptions prévu pour °ÄÃÅÁùºÏ²Ê¸ßÊÖ injectera de l'hydrogène, du néon, séparément ou associés, afin d'accroître la densité de particules au sein du plasma avant sa disruption. Cette approche permet d'éviter la production d'électrons découplés très énergétiques lors de la phase de « quench&²Ô²ú²õ±è;» du courant plasma et de transformer ainsi une grande partie de l'énergie du plasma en rayonnement photonique ce qui réduira très fortement les charges thermiques et électromagnétiques auxquelles les éléments face au plasma et la chambre de confinement seront soumis.
Pour étudier la relation entre les propriétés des glaçons fragmentés et l'augmentation de la densité du plasma qui en procède, °ÄÃÅÁùºÏ²Ê¸ßÊÖ Organization a lancé au mois de mai 2020, en collaboration avec l'Institut Max-Planck de physique des plasmas (IPP) de Garching, en Allemagne, un projet visant à installer un système d'injection de glaçons fragmentés sur le . Pour Michael Lehnen, le responsable du groupe de travail sur le système d'amortissement des disruptions, ce système spécialement conçu, avec toutes les possibilités qu'il offrira, jouera un rôle crucial pour « combler les lacunes de notre programme expérimental en apportant des informations très précieuses sur la manière dont les différentes tailles et vélocités des glaçons fragmentés agissent sur le processus d'amortissement.&²Ô²ú²õ±è;»
_GAo_//static.iter.org/com/animation/figure1.gif*350*right_GAx_Le 14 décembre 2021, après une phase intensive de montage, de mise en service et de caractérisation en laboratoire, une première injection de glaçons a été effectuée dans un plasma du tokamak ASDEX Upgrade en mode H. La vidéo de droite montre une double injection, avec un premier panache de fragments qui pénètre dans la région de la chambre à faible champ magnétique (sur la droite de l'image), suivi d'une deuxième injection 20 ms plus tard. Le gaz provenant des fragments ablatés est ionisé et forme les volutes rayonnantes que l'on peut voir dans les directions toroïdale et poloïdale.
L'élément central du système d'injection de glaçons fragmentés d'ASDEX Upgrade est un canon injecteur à trois cylindres conçu et réalisé par la société russe PELIN LLC de Saint-Pétersbourg. Cet injecteur possède de nombreuses fonctions qui permettent de contrôler la taille et la vitesse des glaçons. Les glaçons provenant des trois cylindres peuvent être projetés indépendamment sur les têtes de fragmentation situées à l'intérieur de la chambre, dont les géométries respectives ont été choisies de manière à produire différentes tailles de fragments, formes des panaches et durées d'injection.
_GAo_//static.iter.org/com/animation/figure3a.gif*350*left_GAx_Avant son installation, le système d'injection de glaçons fragmentés a été mis en service dans un laboratoire de l'IPP, où il a été soumis à des essais poussés. La pandémie a engendré des défis supplémentaires. Ainsi, la contribution d'Igor Vinyar, le directeur de PELIN, et de son équipe s'est faite essentiellement à distance. « Le démarrage du projet d'injection de glaçons fragmentés d'ASDEX Upgrade a coïncidé avec l'apparition de la pandémie de COVID-19. Les incertitudes et les restrictions draconiennes, l'arrêt des déplacements et les perturbations des chaînes logistiques mondiales complexes qui nous permettent de nous procurer ou de fabriquer des milliers de composants spécifiques ont été une source de défis majeurs, explique Gergely Papp, qui dirige le projet à l'IPP. Malgré les difficultés, et grâce au savoir-faire et à la motivation des équipes de l'IPP, de PELIN et d'°ÄÃÅÁùºÏ²Ê¸ßÊÖ, nous avons pu injecter les premiers glaçons dans le tokamak ASDEX Upgrade 18 mois après la signature du contrat. »
Pour étudier en détail les effets des fragments injectés sur la disruption d'un plasma, l'installation d'injection de glaçons fragmentés d'ASDEX Upgrade s'est accompagnée d'une amélioration de plusieurs diagnostics essentiels. Le rayonnement non-axisymétrique du plasma sera mesuré par des bolomètres équipés de diodes AXUV et de caméras à film résistif positionnés à six emplacements différents sur les bobines toroïdales et poloïdales du tokamak. On peut observer l'arrivée des fragments à l'aide de trois caméras ultra-rapides qui permettent de visualiser le point d'injection dans les directions toroïdale, horizontale et verticale. Cette amélioration des diagnostics est l'une des plus importantes de ce type pour le tokamak ASDEX Upgrade.
Le système d'injection et les diagnostics seront mis en action ces prochains mois dans une série d'expériences réalisées par le groupe de travail sur le système d'atténuation des disruptions d'°ÄÃÅÁùºÏ²Ê¸ßÊÖ en collaboration avec l'IPP et le consortium EUROfusion. Ces essais s'inscrivent dans une large démarche expérimentale pilotée par le groupe de travail avec le soutien des programmes nationaux des Membres d'°ÄÃÅÁùºÏ²Ê¸ßÊÖ. « Pour mettre au point une solution technique crédible pour le système d'atténuation des disruptions d'°ÄÃÅÁùºÏ²Ê¸ßÊÖ, il est nécessaire de tester tous les grands paramètres d'injection en réalisant des expérimentations dans un tokamak existant, explique Michael Lehnen.
Avec les nombreuses activités de modélisation du groupe de travail, je suis convaincu que nous disposerons de bases solides pour fournir à nos ingénieurs les informations dont ils ont besoin pour optimiser la conception du système d'amortissement des disruptions d'°ÄÃÅÁùºÏ²Ê¸ßÊÖ.&²Ô²ú²õ±è;»