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Striction Axiale

Striction axiale

Les machines à striction axiale (ou appelées aussi Z-pinch) présentent l'une des méthodes actuellement en cours d'investigation pour le contrôle de la fusion nucléaire. Une petite pastille de combustible est placée au centre d'une cage à fils de tungstène. Lors d'une forte décharge électrique, ces fils sous l'effet de la chaleur se transforment en plasma conducteur du courant. La composante de l'ensemble des champs de chaque fils va ensuite comprimer le plasma vers le centre de la cage à fils et ainsi comprimer la pastille de combustible ce qui entrainera les réactions de fusion.

Principe de fonctionnement

fusion nucléaire
- Mode d'action : par confinement inertiel
- Mode de fonctionnement : par impulsions

Description du dispositif

Le dispositif de la fusion à striction axiale est constitué d'une petite capsule de la taille environ d'un grain de poivre, constituée de combustible de deutérium et de tritium. Cette capsule est placée au centre d'un réseau cylindrique composé de fils de tungstène (environ 400) par lesquels passera une impulsion de courant. L'ensemble de ce dispositif se trouve lui-même au centre d'une cavité permettant de pièger les Rayons-X.

Déroulement

Une impulsion de courant de 20 millions Ampères et d'une durée de 100 nanosecondes est transmise par les fils de tungstène. La très grande quantité d'énergie et l'échauffement produit «vaporise» les fils, ce qui les transforme en un plasma. Le champ magnétique que crée le courant comprime violemment les différents fils individuels en un tube de plasma au centre du réseau. Avec l'augmentation de l'intensité du courant lors de l'impulsion, le champ magnétique va ensuite comprimer brutalement le tube de plasma. Au cours de cette compression, arrivé à un stade limite, appelé stagnation, le plasma s'arrête brutalement, et la conversion de l'énergie cinétique des électrons et ions du plasma va libérer de très grandes quantités de Rayons-X. Les Rayons-X ainsi libérés, d'une puissance rayonnée actuelle allant jusqu'à 290 Terawatts, vont comprimer et chauffer la capsule de combustible et déclencher des réactions de fusion nucléaire.

Stockage de l'énergie

Afin d'obtenir et de libérer en un temps suffisament court l'énorme quantité d'énergie nécessaire au fonctionnement de la machine à Z-pinch, il est nécessaire de stocker l'énergie au préalable. Ce stockage est réalisé à l'aide de « piscines » remplies d'eau, qui jouent le rôle de condensateurs. L'énergie ainsi stockée pourra être libérée en un très court laps de temps selon un mode impulsionnel avec une période extrèmement courte inférieure à 100 nanosecondes.

Limitations actuelles

Le point d'ignition qui permet d'obtenir un nombre suffisament élevé de fusions atomiques et libérer plus d'énergie qu'il n'en faut pour faire fonctionner la machine n'est à ce stade pas encore atteind. L'objectif des prochaines années est d'augmenter la puissance électrique de 20 à 60 millions d'Ampères. Cependant cette augmentation n'est pas sans poser de problèmes, car les Rayons-X qui compriment le combustibles exercent aussi une pression collosale sur la paroie de la cavité contenant le dispositif. À 60 millions d'Ampères et à une puissance de 150 Terawatts, cette pression serait de l'ordre de 150 à 500 Gigapascals.

Voir aussi

Liens internes : Modes de confinement :
- Fusion par confinement inertiel
- Fusion par confinement magnétique Autres :
- Fusion nucléaire
- Dispositifs à fusion thermo-nucléaire Liens externes :
- [http://www.pescadoo.net/malc/art-6.htm Fusion nucléaire et striction axiale (Pour la science 1998)]
- [http://www.sandia.gov/pulsedpower/facilities/facilities.html Sandia National Laboratories] Catégorie:Dispositif à fusion thermo-nucléaire

Fusion nucléaire

ja:原子核融合 Catégorie:Astronomie Catégorie:Physique nucléaire Catégorie:Fusion nucléaire La fusion nucléaire est un des deux types de réaction thermo-nucléaire. C'est un processus où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd. La fusion de noyaux légers dégage d'énorme quantité d'énergie provenant du défaut de masse (cf. énergie de liaison). Cette réaction est à l'œuvre dans le soleil et toutes les étoiles de notre univers.

Mécanisme de la fusion

Bien que chargés positivement et se repoussant d'après la loi de Coulomb, deux noyaux peuvent se percuter et leur collision entraîner une réaction de fusion nucléaire, si les noyaux se rapprochent à une distance inférieure ou égale à leur diamètre. Pour cela, ils doivent se trouver dans un état d'agitation thermique très élevé (voir plus bas : Plasmas de fusion). Au sein du soleil par exemple, la température atteint 15 millions de degrés Celsius pour réaliser la fusion de l'hydrogène en hélium. Dans certaines étoiles plus massives, des températures plus élevées, permettent la fusion de noyaux plus lourds. Lorsque de petits noyaux fusionnent, le noyau résultant se trouve dans un état instable et doit décroître vers un état stable en émettant une particule (photon, électron ou autre). Une partie de l'énergie excédentaire est transmise à la particule émise sous forme d'énergie cinétique. L'autre partie est libérée sous forme de chaleur (réaction exothermique) et forme ainsi une chaîne qui s'auto-entretient. Quand aucun état stable n'existe, il n'est pas toujours possible de provoquer la fusion de deux noyaux (exemple: ⁴He + ⁴He). réaction exothermique réaction exothermique Les réactions de fusion qui dégagent le plus d'énergie sont celles qui impliquent les noyaux les plus légers. Ainsi les noyaux de deutérium (un proton et un neutron) et de tritium (un proton et deux neutrons) sont impliqués dans les réactions suivantes:
- Deutérium + Deutérium → Hélium3 + neutron
- Deutérium + Deutérium → Tritium + proton
- Deutérium + Tritium → Hélium4 + neutron
- Deutérium + Hélium3 → Hélium4 + proton Ce sont ces réactions qui sont les plus étudiées en laboratoire lors d'expériences de fusion contrôlée.

La fusion contrôlée

Il existe différents systèmes permettant d'arriver à produire des réactions de fusion atomique : la fusion par confinement magnétique et la fusion par confinement inertiel. La fusion par confinement magnétique :
- Les Tokamaks où l'on confine un mélange gazeux d'isotopes d'hydrogène grâce à un champ magnétique produit par des bobines et un courant induit circulant dans le plasma (ex.: [http://www.iter.org ITER]) ;
- Les Stellarators où le confinement est entièrement assuré par les bobines (ex.: [http://www.ipp.mpg.de/de/for/projekte/w7x/for_proj_w7x.html Wendelstein 7.x]) ;
- Les machines à Piège à Miroirs Magnétiques, qui pourraient aussi être utilisées pour la propulsion spatiale. La fusion par confinement inertiel :
- Les machines à Confinement Inertiel par Laser où une microbille d'isotopes est irradiée par de puissants lasers (ex.: [http://www-lmj.cea.fr/html/cea.htm Laser Mégajoule]) ;
- Les machines à Striction axiale (ou Z-pinch) où une pastille d'isotopes est comprimé par des impulsions de Rayons-X (ex.: [http://www.sandia.gov/pulsedpower/facilities/facilities.html Sandia National Laboratories]).

Plasmas de fusion

A la température à laquelle la fusion est susceptible de se produire, la matière est à l'état de plasma. Il s'agit d'un état particulier de la matière dans lequel les atomes ou molécules forment un gaz ionisé. Un ou plusieurs électrons du nuage électronique qui entoure chaque noyau a été arraché laissant des ions chargés positivement et des électrons libres, l'ensemble étant électriquement neutre. Dans un plasma thermique, la grande agitation des ions et des électrons produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entraînent une fusion, trois grandeurs interviennent : # la température T ; # la densité N ; # le temps de confinement τ. Le critère de Lawson établit que le facteur Nτ doit atteindre un certain seuil pour obtenir le breakeven où l'énergie libérée par la fusion est égale à l'énergie dépensée. L'ignition se produit ensuite à un stade beaucoup plus élevé de production d'énergie (impossible à créer aujourd'hui dans les réacteurs actuel). Il s'agit du seuil à partir duquel la réaction est capable de s'auto-entretenir. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 10¹⁴ s/cm³.

Analyse de la réaction Deutérium + Tritium

L'énergie de liaison des constituants provient de la force d'interaction nucléaire forte, l'une des quatre forces d'interaction fondamentales de l'univers. Or l'investissement énergétique à fournir pour rompre cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C'est pourquoi le choix pour la fusion s'est porté sur le deutérium et le tritium, deux isotopes lourds de l'hydrogène, pour lesquels ce produit vaut 1. L'énergie minimale à fournir pour obtenir une fusion est de 4 keV (équivalent à une température de 40 millions de degrés) ; l'énergie libérée est alors de 17,6 MeV répartie pour 80% dans les neutrons émis et pour 20% dans l'hélium4 produit. Mais l'énergie nécessaire pour atteindre le critère de Lawson et un rendement suffisamment positif se situe vers 10 keV soit 100 millions de degré.

Problème de pollution

La réaction deutérium + tritium se traduit par une émission de neutrons rapides. Ces neutrons, sont difficiles à confiner éléctromagnétiquement car ils ont une charge électrique neutre et ne peuvent être capturés à l'aide de champs électromagnétiques. Ils sont donc susceptibles d'être capturés par les noyaux d'atomes de la paroi de l'enceinte, qu'ils transmutent parfois en isotopes radioactifs (phénomène d'activation). L'activation peut s'accompagner de production de noyaux d'helium, susceptibles de fragiliser les matériaux de structures. Elle pourrait compliquer l'usage industriel de la fusion, et fait l'objet d'études avec différentes propositions de solutions (par exemple parois en composites , ou encore alliages spécifiques de fer), mais elles nécessitent des études expérimentales difficiles à réaliser à court terme. Les réactions générant des neutrons ne sont donc pas totalement « propres », mais sont toutefois nettement moins génératrices de déchets que les réactions de fission.

Applications industrielles

Si la fusion a pu être utilisée dans les bombes H, il n'existe pas pour l'instant d'applications industrielles de la fusion pour la production d'électricité. Mais un projet est en cours : Iter.

Import de Énergie nucléaire, à fusioner

nb : Voir Tokamak pour une explication plus complète La fusion de noyaux d'isotopes lourds de l'hydrogène (deutérium et tritium) aboutissant à la formation d'hélium n'est encore qu'expérimentale, car les conditions de fusion sont extrêmement difficiles à obtenir. L'obtention de la fusion nucléaire nécessite des conditions de température et de pression drastiques afin que les noyaux aient l'énergie suffisante pour vaincre la « barrière de potentiel » électrostatique qui existe entre eux. Concrètement, on comprime et on chauffe (par diverses méthodes) un mélange deutérium-tritium jusqu'à ce qu'il soit a l'état de plasma. En terme de température, il faut atteindre 100 millions de degrés pour que la réaction de fusion ait lieu (nb : Le soleil se contente de 16 millions de degrés mais il n'effectue pas la fusion telle que présentée dans ce chapitre). Si le deutérium est disponible naturellement en grandes quantités dans les océans, mais nécessite la mise en place de méthodes très complexes pour en être extrait, le tritium doit être préparé artificiellement car il ne se trouve qu'en très petite quantité dans le milieu naturel de par sa nature d'isotope radioactif à courte durée de vie. L'intérêt de la fusion nucléaire est qu'elle pourrait potentiellement produire beaucoup plus d'énergie, à masse de combustible égale, que la fission. De plus, les océans contiennent naturellement suffisamment de deutérium pour permettre d'alimenter en énergie la planête pendant des millénaires, et les produits de la réaction de fusion (principalement de l'hélium ⁴He) ne sont pas radioactifs. Il ne faut toutefois pas oublier que, comme toute réaction nucléaire, la fusion produit des neutrons qui, en allant interagir avec la matière environnante, vont créer des produits d'activations, qui sont radioactifs. Plusieurs méthodes permettant d'obtenir une fusion sont actuellement explorées :
- Tokamak : chambre de confinement magnétique de plasma. exemples : Mater Dei, Tore Supra, JET, ITER
- Fusion par confinement inertiel : Microbilles comprimées par laser. exemple : laser Mégajoule
- La possibilité d'une fusion froide en utilisant les propriétés du palladium ou la sonoluminescence ne semble pas vérifiée.

Voir aussi

- Fusion par confinement magnétique
- Fusion par confinement inertiel
- ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
- Fusion froide
- Physique des plasmas

Liens externes

- [http://www.sckcen.be/sckcen_fr/ SCK.CEN Centre d'étude de l'Energie Nucléaire] Mol, Belgique
- [http://www-fusion-magnetique.cea.fr Fusion magnétique, dossier du CEA]
- [http://www.iaea.org Agence International pour l'Energie Atomique]

Deutérium

ko:중수소 ms:Deuterium ja:重水素 th:ดิวเทอเรียม catégorie:Astronomie catégorie:isotope Catégorie:énergie nucléaire Catégorie:Fusion nucléaire Le deutérium (symbole ²H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. On le trouve (par exemple dans l'eau de mer, sous forme DHO ou D₂O, appelée « eau lourde ») dans la nature à raison de 0,015% par rapport à l'hydrogène.( Par conséquent, un atome de Deutérium pour environ 6667 atomes d'Hydrogène) Aux températures ordinaires, le deutérium est un gaz (HD ou D₂). Le deutérium fut découvert en 1931 par Harold Clayton Urey, un chimiste de l'Université de Columbia, qui reçut pour cela le prix Nobel de chimie en 1934. L'eau lourde peut être concentrée par l'homme. Elle sert principalement dans les réacteurs nucléaires de type Canadien (réacteurs type « Candu »), dans lesquels elle est utilisée comme modérateur des neutrons. Le deutérium est et sera également utilisé dans les futurs réacteurs à fusion nucléaire contrôlée, car il représente un des deux principaux éléments du combustible de la fusion, l'autre étant le tritium.

Données

- densité : 0,180 kg.m^-3 dans les conditions standard.
- masse atomique : 2,013 553 212.

Tungstène

Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W et de numéro atomique 74. C'est un métal de transition gris-acier blanc, très dur, et lourd qui est reconnu pour ses propriétés physiques. On trouve du tungstène dans de nombreux minerais comme le wolframite et le scheelite. Sous sa forme pure, il est principalement utilisé dans des applications électriques, mais sous forme de composés ou d'alliages il possède de nombreuses applications, comme par exemple, la réalisation d'outils nécessitant une grande dureté (forets, poudres abrasives...).

Caractéristiques notables

Le tungstène pur est un métal dur de couleur allant du gris acier au blanc étain. On peut le couper à l'aide d'une scie à métaux lorsqu'il est très pur, mais il est cassant et difficile à travailler lorsqu'il est impur, et on le travaille normalement par forgage, extrusion, ou étirement. Cet élément a le plus haut point de fusion (3422°C), la plus faible pression de vapeur et la plus grande force de traction de tous les métaux à une température supérieure à 1650°C. Sa résistance à la corrosion est excellente et il ne peut être que légèrement attaqué par les acides minéraux. Le tungstène métallique forme une couche d'oxyde protecteur lorsqu'il est exposé à l'air. Lorsqu'on l'ajoute en faible quantité aux alliages d'acier, il augmente la dureté de celui-ci.

Applications

Le tungstène est un métal utilisé dans un grand nombre d'utilisations, dont la plus importante est le carbure de tungstène (W₂C, WC), qui est utilisé pour la fabrication des pièces d'usure dans la métallurgie, l'industrie minière et pétrolière. Le tungstène est largement utilisé dans les filaments des ampoules électriques et des postes de télévision, ainsi que comme électrode, car on peut en faire de très fins filaments ayant un très haut point de fusion. Autres utilisations :
- Son point de fusion très élevé le rend particulièrement adéquat pour les applications spatiales et celles qui demandent l'utilisation de très hautes températures.
- La dureté et la densité de ce métal le rendent idéal pour faire des alliages de métaux utilisés dans l'armement, les puits de chaleur, ainsi que comme poids et contre-poids.
- Les pièces d'usure utilisées, par exemple dans les outils à haute vitesse, utilisent souvent des alliage de tungstène et d'acier pouvant aller jusqu'a 18 % de tungstène.
- Des composés du tungstène sont utilisés comme catalyseur, pigment inorganique. Le disulfure de tungstène est utilisé comme lubrifiant stable au-dessus de 500°C.
- Étant donné que son coefficient de dilatation est équivalent à celui du verre borosilicate, il est utilisé pour faire des collages verre sur métal.
- Des superalliages contenant du tungstène sont utilisés pour faire des pales de turbine, des outils en acier, ainsi que des plaquages.
- Il est utilisé comme électrode réfractaire dans le soudage au procédé Gtaw(tig).

Histoire

Le premier à avoir supposé l'existence du tungstène (du suédois tung sten signifiant « pierre lourde ») est Peter Woulfe, en 1779, alors qu'il examinait de la wolframite. Il détermina alors que ce minéral devait contenir une autre substance. En 1781, Carl Wilhelm Scheele établit qu'un nouvel acide pouvait être formé à partir du tungstenite. Scheele et Berman suggérèrent qu'il devait être possible d'obtenir un nouveau métal en réduisant cet acide. José et Fausto Elhuyar découvrirent, en 1783, un nouvel acide dérivé de la wolframite identique à l'acide tungstique. En Espagne, un peu plus tard la même année, les deux frères réussirent à isoler le tungstène en réduisant l'acide avec du charbon. On leur attribua la découverte de l'élément.

Occurrence

On trouve du tungstène dans la wolframite qui est un tungstate de fer et de manganèse, FeWO₄/MnWO₄), scheelite (tungstate de calcium, CaWO₄), ferbérite et hübnérite. On trouve d'importants dépôts de ces minéraux en Bolivie, Californie, Chine, Colorado USA, Portugal, Russie, et la Corée du sud. La Chine produit 75% de l'approvisionnement mondial. Le métal est produit commercialement par réduction de l'oxyde de tungstène par de l'hydrogène ou du carbone. ---- carbone Catégorie:Élément chimique Catégorie:Métal de transition ja:タングステン th:ทังสเตน

Ampère

ko:암페어 ja:アンペア L'ampère (symbole A) est l’unité SI d’intensité d'un courant électrique. La définition de l'ampère a été défini par le Comité international des poids et mesures en 1948. Par définition, un ampère est l’intensité d’un courant constant qui, s’il est maintenu dans deux conducteurs linéaires et parallèles, de longueurs infinies, de sections négligeables, et distants d’un mètre dans le vide, produirait entre ces deux conducteurs, une force égale à 2 × 10^-7 newton par mètre linéaire. L’ampère doit son nom à André-Marie Ampère, l’un des principaux découvreurs de l’électromagnétisme. Depuis que le SI a défini les valeurs des constantes de Josephson (CIPM (1988) Recommandation 1, PV 56; 19) et von Klitzing (CIPM (1988), Recommandation 2, PV 56; 20), il est possible de combiner ces valeurs (K_J ≡ 4,835 979×10⁺¹⁴ Hz/V et R_K ≡ 2,581 280 7×10⁺⁴ Ω) afin de définir l’ampère comme étant un courant électrique constant d’exactement 6 241 509 629 152 650 000 charges élémentaires par seconde. Lien externe: sur le BIPM:
- http://www1.bipm.org/en/si/si_brochure/chapter2/2-1/ampere.html # Ampere Catégorie:Unité de mesure électromagnétique

Physique des plasmas

ko:플라즈마 ja:プラズマ catégorie:Physique

Introduction

La physique des plasmas est une branche particulère de la physique qui étudie les propriétés, la dynamique des plasmas et leurs applications. Ce n'est pas à proprement parler un domaine de la physique à part entière. La physique des plasmas s'inspire et approfondit les concepts fondamentaux des autres disciplines (physique atomique, physique quantique, physique statistique...) pour l'adapter au problème compliqué par nature de l'étude d'une assemblée disparate de particules chargées ou non : un plasma.

Qu'est ce qu'un plasma ?

Le plasma est un gaz (ou un solide) qui a été soumis à la quantité d'énergie suffisante pour dissocier les électrons de leurs atomes (phénomène d'ionisation). Comme ces particules sont chargées, le plasma se comporte de manière différente d'un gaz (ou d'un solide) neutre en présence de champs électriques et/ou magnétiques. Les plasmas peuvent être de nature très différente, leurs propriétés également, ainsi que les théories et les modèles décrivant chaque nature de plasmas. Le plasma est aussi nommé « quatrième état de la matière » (avec les états solide, liquide et gazeux). Historiquement le terme « plasma » a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 en analogie au plasma sanguin auquel le phénomène ressemblait visuellement. À l'origine un plasma désignait un gaz entièrement ionisé globalement neutre. Puis, on a étendu la définition aux plasmas partiellement ionisés, dans lesquels les proportions de particules chargées sont suffisantes pour que leur comportement diffère d'un gaz neutre. Puis, la physique des plasmas s'est intéressée à la dynamique des faisceaux d'électrons, de protons, d'ions lourds : des plasmas non neutres. Aujourd'hui, on parle de plasma lorsque la matière que l'on observe contient beaucoup de particules disparates qui peuvent intéragir entre elles et avec l'environnement de milliers de façons : c'est une soupe d'électrons, cations, anions, atomes neutres, clusters, agrégats. Les théoriciens s'intéressent même aux plasmas de quarks.

Exemples

quark] Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Univers puisqu'ils constituent plus de 99% de la matière connue. Par contre dans notre environnement proche : « la Terre » ils passent presque inaperçus puisque leurs conditions d'apparition sont très éloignées des conditions nécessaires aux besoins de la vie terrestre. Ainsi on distingue les plasmas naturels :
- les étoiles, nébuleuses gazeuses, quasar, pulsar ;
- les aurores boréales ;
- les éclairs ;
- l'ioniosphère ;
- le vent solaire et les plasmas industriels :
- les décharges, ou tube à décharges (lampes, écrans, torche de découpe, production de rayon X) ;
- les plasmas de traitement pour dépôt, gravure, modification de surface ou dopage par implantation ionique ;
- la propulsion par plasmas ;
- la fusion nucléaire (voir aussi Tokamak) ;
- et de nombreuses autres applications qui ne sont encore que des expériences de laboratoire ou des prototypes (radar, amélioration de combustion, traitement des déchets, stérilisation etc.).

La physique

Comme un plasma est une assemblée de particules différentes en interaction, il est de manière générale difficile de le caractériser. Supposons que le plasma contienne X espèces, incluant les différents états de charge d'un même atome (ou molécule ou agrégat ...), il faut pour complètement le décrire, étudier l'évolution de la densité, de la température, de la fonction de distribution dans l'espace et en vitesse de chaque espèce, au cours de toutes les réactions chimiques, nucléaires, ou collisions qui peuvent avoir lieu. C'est une tâche quasiment impossible, car même si on peut écrire des équations reliant toutes ces données, il est souvent impossible de les résoudre, même numériquement avec les moyens informatiques actuels.
Pour simplifier, dès le départ, le(s) problème(s), on répartit les plasmas en plusieurs catégories. Dans chaque catégorie les plasmas vont avoir un certain type de comportement propre. Pour construire ces catégories, il faut définir différents paramètres comme suit.

Température des espèces

Un plasma, du fait qu'il contient des espèces ionisées, contient aussi des électrons (par neutralité globale du plasma, exception faite des faisceaux de particules). Les électrons ont une masse 2000 fois plus faible que les ions (le rapport masse du proton ou du neutron sur masse de l'électron vaut plus exactement 1836), ils ont donc moins d'inertie et sont plus « réactifs ». Il est donc plus facile de donner de l'énergie aux électrons qu'aux espèces plus lourdes : les ions. On va différencier alors les plasmas dans lesquels :
- seulement les électrons ont acquis assez d'énergie pour effectuer des réactions (essentiellement chimiques). Ce sont les « plasmas froids ».
- les ions sont également énergétiques pour influencer le comportement du plasma. Ce sont les « plasmas chauds ».
Pourquoi cette dénomination ? En physique des plasmas, on mesure l'énergie cinétique des électrons ou des ions par leur température (comme en physique statistique :

E \sim k_B T

, où

k_B

est la constante de Boltzmann). Cette dénomination fait référence à l'énergie des ions.
- Dans le cas des « plasmas froids », la température (l'énergie) des électrons est très supérieure à celle des ions

T_i \ll T_e

. Les ions sont considérés comme « froids », non réactifs.
- Dans les plasmas chauds, les ions sont « chauds », réactifs.
Cette différenciation scientifique est également culturelle :
- les plasmas froids peuvent être étudiés en laboratoire. Les scientifiques ont alors construit un savoir-faire expérimental, actuellement largement appliqué dans les industries (gravure, dépôt...).
- les plasmas chauds demandent plus d'énergie pour leur création, et donc les installations qui les produisent sont moins nombreuses (car plus coûteuses...) et donc moins accessibles. Le savoir-faire qui s'est développé est essentiellement théorique, donc plus fondamental.

Autres caractérisations

Pour caractériser les plasmas et les phénomènes liés on utilise différentes notions :
- Le degré d'ionisation

\alpha

: ::

\alpha = \frac

avec

n_e

densité électronique et

n_n

densité de neutre.
Si

\alpha << 1

alors le plasma sera dit «faiblement» ionisé et si

\alpha\approx 1

alors il est dit «fortement» ionisé.
Si on rapproche le degré d'ionisation des interactions particulaires on pourra aussi classifier selon les mêmes catégories : :::Un gaz faiblement ionisé a des fréquences de collision électron-neutre supérieures aux fréquences de collision électron-ion ou électron-électron. :::On utilisera la notation usuelle :

\nu_>>\nu_, \nu_

:::Pour un gaz fortement ionisé on aura alors :

\nu_<\nu_, \nu_

- Le paramètre plasma

\Gamma

: ::

\Gamma\approx\frac\approx\frac

représente l'énergie potentielle moyenne liée aux interactions coulombiennes ::

représente l'énergie cinétique moyenne liée a l'agitation thermique :: si

\Gamma<1

le plasma est faiblement corrélé : il est dit «cinétique» :: si

\Gamma>1

le plasma est fortement corrélé.

Concepts fondamentaux

- La notion de quasi-neutralité ::Un plasma sous l'effet des forces de Coulomb (F=qE) et de Laplace (

F=qv\times B

), comme tout système dynamique, tend vers une position d'équilibre en minimisant ses forces. On voit rapidement qu'une égalité

Zn_i + n_e = 0

permet d'atteindre cette stabilité. Seulement cette équation prise tel quelle ne permet pas de résoudre les équations de Maxwell correctement. ::On considérera alors par exemple le rapport

\frac << 1

::En fait les études sur les plasmas portent souvent sur des perturbations d'une grandeurs moyenne. Par exemple si on considère la densité moyenne d'électron

\bar n_e

. Une perturbation de cette densité sera

n_e

alors le plasma sera caractérisé par une densité électronique

\bar n_e + n_e

. On posera souvent comme hypothèse

\bar n_e >> n_e

- L'écrantage électrique, notion de gaine et frontière d'un plasma ::Pour se représenter une gaine on va étudier un plasma un peu particulier : ::
- il sera monodimensionnel (selon x); ::
- à l'instant t=0, pour les x<0 on a un plasma à l'équilibre

n_e = n_i

::
- pour les x>0 on aura le vide. ::La frontière « vide-plasma » est donc un plan perpendiculaire à l'axe (Ox). ::Pour t>0 la situation va évoluer via l'agitation thermique des électrons (dans de nombreux cas on considère les mouvements des ions négligeables devant ceux des électrons, on supposera alors les ions comme fixes). ::L'agitation thermique tend a étaler la distribution d'électrons mais elle est contre-balancée par les forces électrostatiques qui tendent à la neutralité. On va donc obtenir une distribution électronique approchant la courbe bleu sur le second schéma. Cette distribution est appelée gaine électronique et on peut démontrer qu'elle a une taille de l'ordre de la longueur de Debye

\lambda_D

Situation initiale Situation à l'équilibre

- La longueur de Debye ::L'écrantage électrique défini précédemment nous permet d'identifier la longueur de Debye : c'est l'échelle de longueur au dessous de laquelle il peut y avoir une séparation de charge et au dessus de laquelle le plasma retrouve sa neutralité. ::

\lambda_D = \sqrt

- Perturbation d'un plasma

- La fréquence de Langmuir ou fréquence plasma ::Quand on perturbe un plasma à l'équilibre, les électrons vont se mettre à osciller avec une certaine fréquence :

\omega_p = \sqrt

Les ordres de grandeurs

Traitement mathématiques

Un traitement liquide commun des plasmas vient d'une combinaison de équations de Navier-Stokes de la dynamique des fluides et les équations de Maxwell de l'électromagnétisme. De l'ensemble des équations résulte ce que l'on appelle la magnétohydrodynamique (ou MHD).

Les champs de recherche et d'applications

- Équilibre et stabilité des plasmas :: C'est un problème majeur notamment pour toutes les recherches où un confinement est nécessaire comme pour la fusion.
- Diagnostic & Simulation :: Les diagnostics expérimentaux et la simulation numérique sont deux outils indispensables aux plasmiciens. La simulation numérique des plasmas est très gourmande en puissance machine de par la complexité des interactions à traiter. Actuellement les codes de calcul sont essentiellement des codes 1D ou 2D particulaires, 2D et 3D fluides. De nombreux codes sont des codes hybrides.
- Fusion nucléaire :
- Fusion par confinement magnétique ;
- Fusion par confinement inertiel.
- Source de plasma :
- Plasmas de décharges ;
- Plasma CCP ;
- Plasma ICP (analyse chimique par torche à plasma) ;
- Source ECR ;
- Source Hélicon.
- Interactions du plasma avec les ondes et les faisceaux :
- Interaction laser-plasmas.
- Plasmas industriels :
- Plasma de dépôt et gravure ; :: Actuellement c'est le domaine le plus développé du point de vue industriel. Les plasmas sont utilisés pour la gravure des microprocesseurs et autres composants. Le dépôt intervient lui aussi en microélectronique associé étroitement à la gravure. Mais il est utilisé aussi dans des technologies liées aux couches minces, dans d'autres domaines comme l'optique ou pour l'ajout de couches de protections en métallurgie. (miroir, etc.)
- Plasma pour implantation ionique ; :: Utilisés en microélectronique, ces traitements permettent de modifier la surface de cibles immergées dans le plasma afin de rendre les matériaux biocompatibles, resistants à la corrosion ou d'une plus grande dureté selon le traitement mais surtout de réaliser des dopages pour jonction de surface (ultra-shallow doping) dans l'industrie des semi-conducteurs.
- Traitement des déchets.
- Physique des plasmas naturels
- Astrophysique : ::La physique des plasmas est importante en astrophysique car de nombreux objets astronomiques comme les étoiles, les disques d'accrétion, les nébuleuses, et le milieu interstellaire sont composés de plasma.
- Environnement planétaire: La magnétosphère est dense en plasma.

Liens externes

- [http://www.polytechnique.edu/page.php?MID=87 Laboratoire de Physique et Technologie des Plasmas]
- [http://www.iter.org/ Le projet mondial de fusion Iter]
- [http://web.cnrs-orleans.fr/~webaero/ CNRS à Orléans]
- [http://gaphyor.lpgp.u-psud.fr/lpgp/ Laboratoire de Physique des Gaz et Plasmas]

Fusion par confinement inertiel

La fusion par confinement inertiel est une méthode utilisée pour porter une quantité de combustible aux conditions de température et de pression désirées pour la fusion nucléaire. Le confinement dudit combustible est réalisé à l'aide de forces inertielles, produites par exemple par des lasers ou un plasma dirigé (voir machines Z-pinch). Il s'agit de la méthode utilisée dans :
- Les machines à Striction axiale (ou Z-pinch)
- Les machines à Confinement Inertiel par Laser

Voir aussi

- Dispositifs de fusion par confinement magnétique catégorie:Dispositif à fusion thermo-nucléaire

Fusion par confinement magnétique

La fusion par confinement magnétique est une méthode utilisée pour porter une quantité de combustible aux conditions de température et de pression désirées pour la fusion nucléaire. De puissants champs électromagnétiques sont employés pour atteindre ces conditions. Le combustible doit au préalable être converti en plasma, celui-ci se laisse ensuite influencer par les champs magnétiques. Il s'agit de la méthode utilisée dans :
- Les Tokamaks
- Les Stellarators
- Les machines à Piège à Miroirs Magnétiques

Voir aussi

- Dispositifs de fusion par confinement inertiel catégorie:Dispositif à fusion thermo-nucléaire

Gino Severini

Gino Severini, född 7 april 1883, död 26 februari 1966, var en italiensk målare och ledande futurist. Severini, Gino

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