Descriptif
PHY_52069_EP - Physique des plasmas et fusion thermonucléaire
En raison de sa forte ionisation, qui induit des comportements spécifiques, le plasma est un état de la matière singulier, au regard des états solide, liquide et gazeux qui structurent notre environnement terrestre. D’où son appellation de quatrième état de la matière. Les plasmas sont omniprésent dans l’Univers. Beaucoup de plasmas naturels, comme la surface du Soleil, les gaz interstellaires, les pulsars ou la magnétosphère terrestre, montrent des comportements spécifiques liés aux effets des forces électriques et magnétiques. La physique des plasmas a été développée non seulement pour interpréter ces plasmas, mais aussi dans la quête de la génération d’énergie par fusion nucléaire. Cette physique est structurée d’une part par des grands programmes de recherche fondamentale (en sciences de la matière, en astrophysique, en planétologie, sur les ultra-hautes intensités laser, …) et d’autre part par des recherches axées sur des enjeux sociétaux majeurs, rassemblant la fusion thermonucléaire, les processus innovants pour la structuration et la résistance des matériaux, l’environnement, la santé.
Cet enseignement offre une introduction aux principes de base de la physique des plasmas et de la fusion thermonucléaires. Il est constitué par une introduction aux principes et méthodes de la physique des plasmas suivie par une présentation de la problématique de la combustion thermonucléaire contrôlée, qu’il s’agisse de la voie du confinement magnétique (le projet international ITER) ou du confinement inertiel (les projets Mégajoule en France et NIF aux USA), et enfin un aperçu des réalisations et performances des systèmes expérimentaux actuels.
Langue du cours : Anglais
Objectifs pédagogiques
1. Décrire et caractériser les plasmas, en identifiant leurs principales propriétés, depuis les plasmas naturels jusqu’aux plasmas de laboratoire.
2. Identifier et interpréter les échelles caractéristiques des plasmas, notamment les échelles temporelles et spatiales.
3. Distinguer les principales approches de modélisation des plasmas et comprendre leur domaine de validité à travers des exemples d’application, notamment l’étude des ondes.
4. Analyser les principes physiques de la fusion thermonucléaire, en caractérisant les réactions de fusion, les taux de réaction et le critère de Lawson. Presenter les principes fondamentaux de la fusion par confinement inertiel.
5. Expliquer la propagation et l’absorption des ondes électromagnétiques dans un plasma, en particulier dans le contexte de l’interaction laser-plasma.
6. Interpréter certains phénomènes non linéaires dans les plasmas. Comprendre leur rôle dans la fusion par confinement inertiel.
7. Présenter les fondements de la magnétohydrodynamique (MHD), en comprendre les principales équations et interpréter les phénomènes de dérive dans un plasma magnétisé.
8. Caractériser les équilibres et les ondes MHD dans les plasmas magnétisés, en particulier l’équilibre dans un tokamak, et en comprendre les liens avec les principes de la fusion par confinement magnétique.
9. Expliquer les mécanismes de stabilité et d’instabilité des plasmas magnétisés aux échelles microscopiques et macroscopiques. Identifier les principaux enjeux associés au confinement des plasmas.
Diplôme(s) concerné(s)
- M1 PHYS - Physique
- Programmes d'échange internationaux
- Titre d’Ingénieur diplômé de l’École polytechnique
- AUDITEURS - IP Paris
Parcours de rattachement
Département OSE
Département de Physique.Pour les étudiants du diplôme M1 PHYS - Physique
Electromagnétisme, mécanique des fluides. Conseillé: physique statistique.
Pour les étudiants du diplôme Programmes d'échange internationaux
Electromagnétisme, mécanique des fluides. Conseillé: physique statistique.
Pour les étudiants du diplôme Titre d’Ingénieur diplômé de l’École polytechnique
Electromagnétisme, mécanique des fluides. Conseillé: physique statistique.
Pour les étudiants du diplôme AUDITEURS - IP Paris
Electromagnétisme, mécanique des fluides. Conseillé: physique statistique.
Format des notes
Numérique sur 20Littérale/grade américainPour les étudiants du diplôme Programmes d'échange internationaux
Vos modalités d'acquisition :
Examen final écrit de 3h.
Rattrapage : Interrogation orale de 30 min.
La calculatrice est autorisée.
Le rattrapage est autorisé (Max entre les deux notes)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 10
- le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
- Note initiale < 10
- Crédits ECTS acquis : 5 ECTS
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
Pour les étudiants du diplôme Titre d’Ingénieur diplômé de l’École polytechnique
Vos modalités d'acquisition :
Examen final écrit de 3h.
Rattrapage : Interrogation orale de 30 min.
La calculatrice est autorisée.
Le rattrapage est autorisé (Max entre les deux notes)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 10
- le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
- Note initiale < 10
- Crédits ECTS acquis : 5 ECTS
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
Pour les étudiants du diplôme M1 PHYS - Physique
Vos modalités d'acquisition :
Examen final écrit de 3h.
Rattrapage : Interrogation orale de 30 min.
La calculatrice est autorisée.
Le rattrapage est autorisé (Note de rattrapage conservée)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 7
- le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
- Note initiale < 7
- Crédits ECTS acquis : 5 ECTS
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
Pour les étudiants du diplôme AUDITEURS - IP Paris
Le rattrapage est autorisé (Max entre les deux notes)- le rattrapage est obligatoire si :
- Note initiale < 10
- le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
- Note initiale < 10
- Crédits ECTS acquis : 5 ECTS
La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.
Programme détaillé
1- Introduction à la Physique des plasmas. Plasmas dans la nature : de l’espace au laboratoire. Classification des plasmas, applications des plasmas.
2- Echelles caractéristiques : fréquence de Langmuir, temps de Maxwell, longueur de London, de Debye et de Kelvin. Ionisation : formule de Saha. Collisions coulombiennes.
3 - Théories pour modéliser les plasmas: des modèles cinétiques aux modèles fluides. Exemples d'utilisation du modèle fluide: ondes dans les plasmas.
4- Fusion thermonucléaire. Réactions de fusion. Taux de réaction. Critère de Lawson. Introduction à la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Compression et allumage. Allumage par point chaud.
5- Interaction laser-plasma. Propagation et absorption d'une onde électromagnétique dans le plasma.
6 - Phénomènes non-linéaires. Force pondéromotrice. Couplage d'ondes. Instabilités paramétriques. Lien avec la FCI.
7- Equations de la MHD : dérivation heuristique. Théorie des dérives. Introduction à la fusion magnétique.
8- Equilibre et ondes MHD dans un plasma magnétisé. L'équilibre tokamak.
9- Stabilité dans un plasma magnétisé, aux échelles microscopiques et macroscopiques