Démonstration d'un injecteur simple étage à photoneutralisation et récupération d'énergie pour les futurs réacteurs de fusion (ITER, DEMO) – SiPhoRE

Le projet SiPhoRE s’inscrit dans le cadre d’une recherche élargie visant à concevoir une nouvelle génération du système de chauffage des plasmas par injection de neutres (IDN) pour les futurs réacteurs de fusion (phase 2 d’ITER et DEMO).

Dans l'état actuel du projet ITER, le faisceau de chaque injecteur de neutres (17 MW de D°) doit être produit par l’accélération d’ions négatifs (~40 A de D-) à haute énergie (1MeV) suivie de réactions d'épluchage (conversion des D- en D°) par collisions sur cible gazeuse (D2). Ce procédé de neutralisation, bien que conceptuellement très simple, est à l’origine de pertes importantes d'ions D- en cours d’accélération (~28% de pertes), ce qui conduit à d'importantes charges thermiques sur les composants de la ligne (évaluées à 7MW) et, au final, à une faible efficacité du système de chauffage (? <30%).

La nouvelle génération de système IDN proposée est basée sur le photodétachement des D- énergétiques au sein de cavités Fabry-Perot de puissance en vue d’atteindre de très hauts taux de neutralisation (~80%) et une efficacité du système IDN supérieure à 60%. Cette efficacité est de prime importance pour les futurs réacteurs de fusion (DEMO), où la puissance de neutres nécessaire à l’entretien des réactions de fusion est d'un ordre de grandeur supérieur (~150 MW de D° à 1.5 ou 2 MeV) et où l'enjeu sera, in fine, d'assurer la production d’électricité à bas coût.

Le présent projet propose en conséquence, une étude de faisabilité de la photoneutralisation de faisceaux intenses d’ions négatifs à haute énergie (1-2 MeV). Bien qu'elle soit conceptuellement plus élégante puisqu'elle supprime l’injection massive et problématique de gaz, la solution de la photoneutralisation reste en effet handicapée par une faible section efficace de photodétachement, qu'il faut compenser par un flux lumineux élevé (de l’ordre du MW). Une solution rendue réaliste par l'expérience accumulée au laboratoire ARTEMIS pour la construction des lasers du grand interféromètre VIRGO consiste à injecter la lumière d'un laser continu puissant et monomode (quelques kW) dans une cavité optique de finesse moyenne (quelques milliers) de façon à atteindre par recyclage (la proportion de lumière absorbée à chaque passage étant très faible) le flux lumineux nécessaire.

Le premier objectif du présent projet consiste à réaliser ce programme à échelle réduite au LAC, sur un jet d'ions négatifs de quelques millimètres de diamètre seulement, en augmentant la finesse de la cavité, et donc le flux lumineux, progressivement. L'obtention de quelques MW de puissance lumineuse intracavité constituera un objectif parallèle pour ARTEMIS, qui suppose que soient résolus les problèmes inhérents à l'utilisation des hauts flux lumineux, au premier rang desquels la déformation des optiques par les effets thermiques. L'association au projet d'un partenaire industriel (Thales-SESO), vise à garantir que les miroirs de la cavité auront les qualités nécessaires à la réalisation de cet objectif. En parallèle, le CEA-IRFM étudiera la ligne IDN adaptée à la photoneutralisation avec le développement d’un prototype d’extracteur d’ions négatifs à faisceau laminaire, dont les dimensions conditionnent celles de la cavité optique.

Il est à noter que le jet d'ions négatifs du LAC est muni de bobines de champ magnétique, ce qui permet l'investigation d'une éventuelle amplification de la section efficace de photodétachement par résonances de Landau. Bien que cette éventualité entraîne des complications supplémentaires, comme la probable nécessité de créer des champs magnétiques très homogènes sur de grands volumes, elle pourrait s'avérer très intéressante dans un contexte industriel en réduisant notablement la puissance laser nécessaire.