Dans un tokamak, la réaction de fusion des deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, produit des particules alpha (noyau d'hélium 4He) très énergétiques (à 3,5 MeV) et des neutrons à 14 MeV.
Cette réaction n'est possible que si le plasma est porté à une température très élevée par deux techniques principales.
- Des ions de deutérium sont accélérés à l'extérieur du tokamak puis leur charge électrique est neutralisée ; les (atomes) neutres ainsi obtenus peuvent alors pénétrer au cœur du plasma, auquel ils transfèrent une partie de leur énergie, via des collisions (Neutral Beam Injection, NBI).
- Des ondes électromagnétiques spécifiques – dont la fréquence est accordée sur une résonance cyclotronique ionique – accélèrent les mouvements des particules chargées présentes dans le plasma et augmentent leur température (Ion Cyclotron Resonance Heating, ICRH).
Des expériences précédentes avaient montré que des ions de deutérium de 100 keV à 1 MeV sont susceptibles d'interagir avec des oscillations du champ magnétique (appelées ondes d'Alfven) : en cas de résonance, ils leur transfèrent une quantité importante d'énergie en dégradant le confinement du plasma.
Pour approfondir cette question, des chercheurs de l'IRFM ont analysé des plasmas produits dans le tokamak européen JET avec une population d'ions de deutérium énergétiques fortement augmentée (d'un facteur 10), en présence d'ondes d'Alfvén intenses. Ces ions, injectés par NBI, sont « sur-accélérés » sélectivement jusqu'au MeV par des ondes du chauffage ICRH, finement accordées sur leur fréquence. Les scientifiques ont ensuite comparé le confinement ainsi obtenu à celui de plasmas chauffés uniquement par injection de neutres (NBI) d'énergie voisine de 100 keV.
De manière surprenante, le confinement de l'énergie en présence d'ions de l'ordre du MeV est amélioré de 40 % ! Un diagnostic de réflectométrie a permis d'attribuer ce gain à une forte réduction des fluctuations de la densité du plasma.
Pour interpréter leurs résultats, les physiciens ont développé des simulations multi-échelles afin de décrire à la fois la turbulence aux petites échelles et les fluctuations à grande échelle des ondes d'Alfvén. Elles reproduisent bien les données expérimentales et permettent d'identifier le mécanisme à l'origine de l'amélioration du confinement.
Ces résultats laissent augurer que le confinement du plasma d'ITER et des autres futurs tokamaks pourrait bénéficier de la présence de particules alpha très énergétiques.