Année Universitaire 2009 ~ 2010

201 Pages·2010·6.8 MB·French

THESE
Présentée à
L’UNIVERSITE ABOU-BAKR BELKAÏD – TLEMCEN
Pour obtenir le grade de Docteur
Option: Physique Electronique et Modélisation
Par
Melle SABRI Naima Ghoutia

Etude de la Propagation d’une Onde Electromagnétique

dans un Plasma de Tokamak –Interaction Onde-Plasma

Devant le jury d’examen

Président
S.M. BOUGUIMA Professeur à l’Université Abou-Bakr Belkaïd – Tlemcen

Directeur de Thèse

T. BENOUAZ Professeur à l’Université Abou-Bakr Belkaïd – Tlemcen

Examinateurs
A. BELGHACHI Professeur à l’Université de Bechar
A. HELMAOUI Professeur à l’Université de Bechar
H. BOUSLOUS Professeur à l’Université de Marrakech

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Année Universitaire 2009 ~ 2010
DEDICACES

A l’aide de Dieu tout puisant, j’ai pu
réaliser ce modeste travail que je dédie :

A la mémoire de mon père.

A ma mère que dieu la garde, pour son
amour, son encouragement durant toutes
mes études.

A mes sœurs : Nacera, Fatima, Samira et
Nawal.

A mes frères
A mes nièces et mes neveux,
spécialement: Rania، Amine ،Fayçal et
Imad.

A tous mes amis (es).

NAIMA GHOUTIA
REMERCIEMENTS

Ce travail de thèse est effectué au Laboratoire de Physique Electronique et
Modélisation à l‘Université Abou Bekr Belkaid-Tlemcen.
Je souhaite remercier en premier lieu mon directeur de thèse Mr BENOUAZ
Tayeb Professeur à l'Université Abou Bekr Belkaid-Tlemcen, Département de
Physique. Qu’il trouve ici l'expression de ma profonde reconnaissance, tant pour
m'avoir accordé sa confiance en me proposant cette étude que pour son énorme aide
et encouragement tout au long de cette recherche, ainsi que pour sa vaste gentillesse
et ses qualités scientifiques. Qu’il soit assuré de ma profonde gratitude.
J'adresse mes remerciements les plus chaleureux à Mr Antoine Pochelon,
Maître d'enseignement et de recherche à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
en Suisse pour m'avoir accueilli au sein du Centre de Recherche en Physique des
Plasmas pendant la période de mon stage. Je lui suis également reconnaissante pour
sa disponibilité, ses qualités pédagogiques et scientifiques. Je lui adresse toute ma
gratitude.
J'adresse de sincères remerciements à Mr BOUGUIMA Sidi Mohammed ,
Professeur à l'Université Abou Bekr Belkaid -Tlemcen, pour l'honneur qu'il me fait en
présidant ce jury de thèse.
Je tiens à remercier Mr BELGHACHI Abderrahmane, Professeur à l'Université
de Bechar, pour avoir accepté de faire partie de mon jury.
Je remercie également Mr HELMAOUI Abderrachid, Professeur à l'Université
de Bechar, pour avoir accepté de juger ce travail et participer à ce jury.
Je tiens à remercier tous mes camarades du laboratoire, plus particulièrement
ceux qui se reconnaîtront, pour leur soutien et leur bonne humeur.
Enfin, je présente mon respect et mes vifs remerciements à tout ceux et celles
qui ont contribué à la réalisation de cette thèse.
Table des Matières
Introduction Générale 6
1 La Fusion Thermonucléaire Contôlée 17
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Qu’est-ce qu’un plasma? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1 Les paramètres caractéristiques de plasma : . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Les di¤érents types de Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.1 Plasmas réactifs: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.2 Plasmas Thermiques: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.3 Plasma relativiste: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.4 Plasma collisinnel: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.5 Plasma non collisionnel: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Principe de la fusion thermonucléaire: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5 Bilan de puissance & conditions nécessaires: . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.1 Bilan de Puissance: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.2 Ignition et critère de Lawson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.6 Principe de con…nement magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.1 Paramètres géométriques de la con…guration magnétique . . . . . 37
1.7 Les dispositifs de con…nement : Tokamak . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.7.1 Les principaux composants d’un Tokamak : . . . . . . . . . . . . 40
1.7.2 Description du mécanisme de fonctionnement: . . . . . . . . . . . 41
1
1.8 Stabilité & disruption d’un plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.9 Production et transformation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.10 Conclusion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2 Ondes Dans Les Plasmas Froids Magnétisés- Application de la rotation
de Faraday 48
2.1 Notions Générales: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.1.1 Equations de Maxwell: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.2 Relation constitutive du milieu: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1.3 Description statistique du plasma: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.1.4 Propriétés du milieu plasma: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1.5 Le tenseur diélectrique: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2 Mode propres de propagation dans un plasma froid,homogène, station-
naire, magnétisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.1 Equation de dispersion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.2 Coupures & Résonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.3 Propagation perpendiculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.2.4 Propagation parallèle: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2.5 Propagation oblique : (Onde basse fréquence MHD) . . . . . . . . 69
2.3 Diagramme CMA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4 Simulation d’un isolateur à rotation de Faraday . . . . . . . . . . . . . . 72
2.4.1 Isolateur de Faraday: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.4.2 Principe de fonctionement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3 Etude des ondes de Bernstein électronique dans un plasma chaud mag-
nétisé 81
3.1 Propriétés élémentaires des plasmas chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.1.1 Ionisation. Loi de Saha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2
3.2 Ondes dans un plasmas non magnétisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.1 Le système de Vlasov Maxwell (Modèle cinétique) . . . . . . . . . 84
3.2.2 Amortissement de Landau (Absorption) . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.3 Fonction de dispersion dans un plasma chaud: . . . . . . . . . . . 94
3.3 Ondes dans un plasma magnétisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.1 Relation de dispersion électromagnétique: . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.2 Solution de l’équation de Vlasov : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.3 Le tenseur diélectrique pour un plasma chaud: . . . . . . . . . . . 99
3.4 Propagation parallèle dans un plasma magnétisé: . . . . . . . . . . . . . 105
3.5 Propagation perpendiculaire des ondes de Bernstein électronique dans un
plasma magnétisé : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5.1 Les modes Ordinaire, Extraordinaire et de Bernstein . . . . . . . 114
3.5.2 Discussion de la relation de dispersion: . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.6 Conclusion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4 Chau¤age d’un plasma très dense par les ondes de Bernstein dans un
Tokamak TCV 125
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2 Tokamak à Con…guration Variable (TCV) . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.1 Description & Caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2.2 Contrôle de forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3 Chau¤age Cyclotronique Electronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.1 Fréquence électron cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.2 Les ondes cyclontronique électronique (CE) . . . . . . . . . . . . 135
4.3.3 Système expérimental de chau¤age EC . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.4 Chau¤age par les ondes de Bernstein Electronique: . . . . . . . . . . . . 142
4.4.1 Relation de dispersion déterminant l’angle optimal . . . . . . . . 142
4.5 Partie Expérimantale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.5.1 Determination expérimentale de l’angle optimal: . . . . . . . . . . 144
3
4.5.2 Global & Local chau¤age les ondes de Bernstein, . . . . . . . . . 147
4.5.3 Les mesures d’emission des ondes de Bernstein électronique (EBW) 152
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5 Application:Transfertd’énergied’uneondeélectromagnétiqueauplasma157
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.2 Equations de Maxwell: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3 Equations de propagation et relation de dispersion: . . . . . . . . . . . . 159
5.4 Les modes de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4.1 Mode Ordinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4.2 Mode Extraordinaire: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.4.3 Coupure et résonance: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.5 Modèle de plasma chaud pour les ondes cyclotroniques électroniques . . . 170
5.6 Transfert d’énergie de l’onde au plasma: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.7 Conclusion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Conclusion Générale 177
4
Introduction Générale
5
Introduction générale
1.Note historique
L’énergie est indispensable à toute vie, c’est un enjeu scienti…que et stratégique ma-
jeur que de découvrir des nouveaux modes de production ayant un impact aussi faible
que possible sur la santé que ainsi sur l’environnement et le fonctionnement global de
la planète, avec une quantité d’energie de plusieurs reserves su¢santes pour plusieurs
millions d’années. C’est de l’énergie produite à partir des réactions de fusion thermonu-
cléaire dont on parle. La production d’énergie électrique à partir de ces réactions est un
enjeu primordial pourl’avenirde l’humanité. En e¤et, lesbesoinsénergétiquesne cessent
d’augmenter au cours des décennies à venir alors que les ressources en combustibles fos-
siles (pétrole, charbon, gaz naturel,...) tendent à l’épuisement.
De plus, les énergies produites par le gaz carbonique devront diminuer à cause de
ses émission. L’energie nucléaire classique ne produit pas de gaz à e¤et de serre mais
la production des déchets radioactifs de long durée de vie pose un grave problème. Par
contre la fusion thermonucléaire est de nature sûre et ne produit pas de gaz à e¤et de
serre et ses déchets radioactifs sont moins couteux à gérer.
L’énergie de la fusion thermonucléaire était connue depuis quelques décennies dans
le soleil et dans les étoiles. Le principe de fusion est de faire collisionner des atomes
légers entre eux pour en produire de plus lourds tout en libérant de l’énergie dans des
conditions spéciales de température ( 100 millions de degrés) et de pression.
Historiquement, en 1920 , Sir Arthur Eddington attribue pour la première fois à
la fusion thermonucléaire de l’hydrogène, l’origine de l’énergie du soleil ( collision à très
hautestempérature dedeux noyauxd’hydrogène pourformerunnoyaud’hélium. Lefait
que cela fonctionne ainsi sans discontinuité depuis des milliards d’année fascine les physi-
ciens depuis cette date. De nombreux projets pour produire les réactions de fusion sont
nés. Les premières expériences de con…nement magnétique d’un plasma étaient réalisés
en 1940. En Russie, c’est en 1968 qu’est découverte une forme particulière de réac-
teur plus stable et plus promotteuse pour réaliser la fusion par con…nement magnétique
6
c’est la con…guration de Tokamak. Le concept du tokamak vient du: Toroïdalnaya-
kamera-magnitnaya-katushka qui signigie ”toroidal chamber with magnetic coils” grâce
aux scienti…ques russes Igor Tamm (1895-1971) qui a obtenu le Prix Nobel de Physique
en 1958 Et Andreï Sakharov (1921-1989) a obtenu le Prix Nobel de la Paix en 1975.
Un Tokamak qui permet d’envisager la production de plasma apte a une production
d’énergie. Des progès très importants ont été accomplis pour obtenir en 1997 un plasma
produisant 16 MWd’énergie de fusion et en 2004 un plasma entrenu pendant 400s. Pour
reussir avec un rendement intéréssant d’une telle réaction, les e¤orts sont unis dans le
cadre d’un grand programme international de recherche.
ITER
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