L’injection d’atomes (neutres) de deutérium D0 de grande énergie est l’un des principaux modes de chauffage des plasmas de fusion confinés par champ magnétique (tokamaks). Aux très fortes énergies, le rendement de conversion des ions en neutres étant bien supérieur pour les ions négatifs que pour les ions positifs, la production de faisceaux intenses d’ions deutérium négatifs D- constitue donc l’une des clefs de ce mode de chauffage du plasma.

Le système d’injection de neutres (IDN) à base d’ions négatifs D- sera le chauffage principal de ITER, avec plus de 35 MW de puissance de neutres à une énergie de 1 MeV qui seront couplés au plasma. Le système IDN comprendra, entre autres, deux sources d’ions D- de grandes dimensions (1,5 m2 de surface) capables d’atteindre des performances jusqu’à présent inégalées, comme par exemple produire, sans adjonction de césium (Cs), des densités de courant d’ions négatifs de 20 mA / cm2 avec une uniformité de ± 5 % sur 1,5 m2 de surface d’extraction.

Le développement de sources d’ions H- pour ITER fait l’objet d’une compétition internationale intense. Le LPSC-CRPMN participe, aux côtés du CEA-Cadarache (coordonateur) et d’autres laboratoires, aux études préalables menées dans le cadre du projet ANR ITER-NIS (2008-2011) en vue de la conception de sources capables de répondre aux spécifications du projet ITER. La tâche principale du CRPMN est de déterminer expérimentalement l’influence de la nature des surfaces en contact avec le plasma sur le taux de production d’ions négatifs H-.

Les études menées par le CRPMN sur la production d’ions H- ont débuté au début des années 2000 par une collaboration avec le LPTP (Laboratoire de Physique et Technologie des Plasmas) de l’Ecole Polytechnique qui avait pour objet le remplacement du mode de production d’un plasma multipolaire d’hydrogène par cathodes chaudes thermoémissives par des sources de plasma micro-onde dipolaires. Depuis l’arrêt des travaux sur ce thème au LPTP et le transfert au LPSC du banc expérimental en 2007, l’étude expérimentale des mécanismes de création et de pertes des ions négatifs H- en volume et sur les surfaces constitue désormais l’une des thématiques du CRPMN.

Dispositifs expérimentaux de production d’ions H- et moyens de diagnostic associés

  • Réacteur de grand volume "Camembert III" provenant de l'école Polytechnique (Palaiseau) et utilisé au CRPMN de 2008 à 2012
  • Réacteur de petit volume "ROSAE III" conçu au CRPMN et utilisé dépuis 2012 pour des études fondamentales relatives à l'interaction plasma / surface
  • Dispositif de mesure des paramètres plamsa par sonde de Langmuir
  • Caractérisation des ions négatifs H- par photo-détachement laser Nd-Yag (1064 nm)
  • Spectroscopie d'émission VUV et visible
Au premier plan, le laser Nd-Yag pour la caractérisation des ions H-, à l'arrière plan le réacteur "Camembert III" provenant de l'école Polytechnique (Palaiseau) et utilisé au CRPMN entre 2008 et 2012

 

Articles de référence

  • A. A. IVANOV, C. ROUILLÉ, M. BACAL, Y. ARNAL, S. BÉCHU, J. PELLETIER, H- ion production in ECR driven multicusp volume source, Rev. Sci. Instrum. 75, 1750-1753 (2004)
  • P. SVARNAS, M. BACAL, P. AUVRAY, S. BÉCHU, J. PELLETIER, H- extraction from ECR-driven multi-cusp volume source operated in the pulsed mode, Rev. Sci. Instrum. 77, 03A512 (2006)
  • S. BÉCHU, A. BÈS, D. LEMOINE, J. PELLETIER, M. BACAL, Investigation of H-: production by surface interaction of the plasma generated in "Camembert III" reactor via distributed electron cyclotron resonance at 2.45 GHz, Rev. Sci. Instrum. 79, 02A505 (2008)
  • P. SVARNAS, B. M. ANNARATONE, S. BÉCHU, J. PELLETIER, M. BACAL, Study of hydrogen plasma in the negative-ion extraction region, Plasma Sources Sci. Technol. 18, 045010 (2009)
  • S. Béchu, A. Soum-Glaude, A. Bès, A. Lacoste, P. Svarnas, S. Aleiferis, A. A. Ivanov Jr, M. Bacal, Multi-dipolar microwave plasmas and their application to negative ion production, Phys. Plasmas, 20, 101601 (2013)