RGN N° 1 Janvier-Février 2007 p. 62–63

Conception et fabrication des systèmes de chauffage

Design and R&D for the Heating Systems

¹ Euratom-CEA
² Thales

Résumé

Les systèmes de chauffage sont les outils nécessaires pour explorer et étendre le domaine opérationnel d’ITER. Ils sont employés pour augmenter l’énergie stockée dans le plasma, pour créer le courant dans le plasma, et pour contrôler divers paramètres tels que la température des particules, la distribution de courant, les gradients de température, etc.

Comme le plasma est composé de particules chargées dans un champ magnétique, 2 types de systèmes de chauffage peuvent être employés.

Le premier type emploie des faisceaux de neutres, qui sont des faisceaux de grande énergie, formés de particules électriquement neutres qui peuvent traverser les champs magnétiques du tokamak. Ces faisceaux sont injectés dans le plasma où ils sont aisément ionisés par une variété de réactions avec les ions et les électrons du plasma ; une fois ionisées, les particules sont piégées et confinées dans le plasma par les champs magnétiques. Pendant qu’elles circulent autour du tore, elles transfèrent leur énergie au plasma par des collisions, chauffant directement les ions et les électrons. Un transfert de moment se produit également pendant les collisions, induisant la rotation du plasma et la création d’un courant dans le plasma.

Les faisceaux de neutres d’ITER devraient injecter 33 MW d’atomes de deutérium (D0) à partir de deux injecteurs. Les faisceaux sont créés en neutralisant les ions négativement chargés de deutérium (D-) qui ont été électrostatiquement accélérés à 1 MeV. Les domaines de la R&D sont le développement de la source, l’accélérateur 1 MeV et les alimentations électriques associées. Les défis sont le niveau de la puissance exigée à 1 MeV et la production d’un fl ux uniforme de D- sur la section de l’accélérateur, à la densité de courant exigée.

Le deuxième type de système de chauffage concerne le domaine des systèmes radiofréquences (RF), le plasma jouant le rôle de récepteur. L’énergie est couplée préférentiellement aux espèces ou aux régions choisies du plasma selon la fréquence, la polarisation ou le spectre de l’onde injectée dans le plasma. Les systèmes RF peuvent également être employés pour contrôler les instabilités du plasma. La puissance est transférée aux électrons et plus tard aux ions, ou directement aux ions.

Les systèmes RF qui seront installés dès le début d’ITER sont le système du chauffage par résonance de cyclotronique électronique (ECRH), à 170 gigahertz, et le système du chauffage par résonance de cyclotronique ionique (ICRH), fonctionnant dans la gamme des 40 à 55 mégahertz. Ils doivent chacun délivrer 20 MW au plasma d’ITER. Plus tard un système à la fréquence hybride inférieure (LHCD) pourrait être installé, à une fréquence fixe à choisir entre 3 et 5 gigahertz. Les domaines de développement sont le tube de haute puissance RF (gyrotron pour l’ECRH, klystron pour l’LHCD, tétrode pour l’ICRH), la ligne de transmission, et les structures de couplage (antenne pour ICRH, rangée de guide d’ondes pour LHCD, et miroirs pour ECRH). Les défis sont le niveau de puissance unitaire des tubes, la densité de puissance et l’efficacité des lignes de transmission, et le couplage au plasma pour les antennes.

Cet article donne une description des différents systèmes de chauffage, avec les difficultés techniques rencontrées et les programmes de R&D associés.

Abstract

The heating systems are necessary tools to explore and extend the ITER operational domain. They are used to increase the energy stored in the plasma, support the plasma current, and control many parameters such as particle temperature, current distribution, temperature gradients, etc…

As the plasma is composed of charged particles in a magnetic fi eld, 2 types of heating systems can be used.

The first type uses neutral beams, which are beams of high energy, electrically neutral, particles that can traverse the confi ning magnetic fi elds of the tokamak. These are injected into the plasma where they are readily ionised by a variety of reactions with the plasma ions and electrons; once ionised they are trapped within the plasma by the confi ning magnetic fi elds. As they circulate around the torus they transfer their energy to the plasma by collisions with the plasma particles, heating directly both the ions and the electrons. Momentum transfer also occurs during collisions, thus inducing plasma rotation and driving a current in the plasma.

The ITER neutral beams should inject 33 MW of deuterium atoms (D0) from two injectors. The beams are created by neutralising negatively charged deuterium ions (D-) that have been electrostatically accelerated to 1 MeV. The areas of R&D are the source development, the 1 MeV accelerator and the associated power supplies. The challenges are the level of power at 1 MV and the production of a uniform fl ux of D- over the large area of the accelerator, at the required current density.

The second type of heating system is in the domain of the RF systems, which use the plasma as a receiver. The energy is coupled preferentially to selected species or regions of the plasma depending on the frequency, polarization or spectrum of the wave launched to the plasma. They can also be used to control plasma instabilities. Power is either transferred to the electrons and subsequently to the ions, or directly to the ions.

The RF systems that will be installed from the start of ITER are the Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) system, at 170 GHz, and the Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH) system, operating in the 40 to 55 MHz range. They each have to deliver 20 MW to ITER plasma. Later a Lower Hybrid Current Drive (LHCD) system could be installed, with a fi xed frequency to be chosen between 3 and 5 GHz. The areas of development are the high power RF tube (gyrotron for ECRH, klystron for LHCD, tetrode for ICRH), the transmission line, and the coupling structures (loop antenna for ICRH, waveguide array for LHCD, and mirrors for ECRH). The challenges are the unit power level for the tubes, the power density and effi ciency of the transmission lines, and the coupling to the plasma for the antennae.

Descriptions of the heating systems set ups, with examples of the issues and the associated R&D programs are presented in this paper.