​La méthode la plus simple pour alimenter le plasma en combustible consiste à injecter un mélange gazeux de deutérium et de tritium à travers des orifices situés dans la paroi du tokamak. Mais, en raison de la densité et de la température élevées du plasma, les atomes neutres injectés sont rapidement ionisés et ne peuvent pas pénétrer en profondeur, au cœur du plasma où se produisent les réactions de fusion.

Pour remédier à cette limitation, les scientifiques ont recours à l'injection du combustible sous une forme solide ​​– c'est-à-dire avec des glaçons propulsés à des vitesses pouvant atteindre quelques km/s – dont l’Irig est un expert. Mais comment décrire la physique complexe des glaçons soumis aux conditions extrêmes d'un plasma ?

L'ablation du glaçon lors de sa pénétration dans le plasma

Avec l'institut autrichien OAW, les ingénieurs du CEA-IRFM ont développé le code HPI2 et cherchent à confronter certaines hypothèses du modèle à des mesures expérimentales (spectroscopie visible). Celles-ci ont été effectuées sur Tore Supra (tokamak du CEA aujourd'hui transformé en West) et, plus récemment, sur le stellarator LHD du National Institute for Fusion Science, au Japon.

Une des observations les plus remarquables est celle de striations lors de l'ablation du glaçon au cours de sa pénétration dans le plasma, en un phénomène cyclique que détaille Eléonore Geulin, chercheuse à l'IRFM :

• lorsque la glace (-250°C) entre en contact avec le plasma (plusieurs dizaines de millions de °C), sa surface est rapidement chauffée et vaporisée ;
• le nuage de gaz neutre ainsi formé entoure le glaçon, comme un bouclier qui réduit le flux de particules en provenance du plasma.
• le nuage monte en température, s'ionise partiellement en un « plasmoïde » qui subit les phénomènes de dérives propres aux plasmas magnétisés ;
• le plasmoïde se détache du système « glaçon + nuage neutre », s'homogénéise dans le plasma environnant puis forme la source du combustible ;
• le glaçon se retrouve alors de nouveau entouré uniquement d'un nuage neutre et le processus recommence (ionisation, dérive, homogénéisation, etc.).
  

Des simulations conformes aux observations expérimentales

Les prédictions du code HPI2 ont été comparées aux mesures de l'injection de glaçons sur le stellarator LHD où il apparaît que la teneur en particules du nuage et la fréquence des stries sont fonction de la position du glaçon, mais que le rayon et la longueur du nuage évoluent continuellement avec le temps.

Cette fréquence de striation moyenne a été prédite par le code (de l'ordre de 100 kHz) en bon accord avec les mesures expérimentales, à la fois sur l'amplitude et la variation le long de la trajectoire du glaçon. Les autres propriétés du nuage sont aussi correctement validées le long de sa trajectoire : sa taille, son taux d'ablation, etc.

Le bon accord entre simulations et observations expérimentales, à un niveau de détail sans précédent, est un nouveau jalon important pour la validation du code HPI2 ; faisant de lui un module de choix pour la préparation opérationnelle des nouveaux projets de fusion : Iter, le projet européen Demo et plusieurs projets issus du secteur privé.