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INSTABILITÉS (physique des plasmas)

INSTABILITÉS, physique des plasmas

Une configuration magnétique renfermant un plasma est instable, si, à partir d’un équilibre, une perturbation infiniment petite augmente avec le temps. Elle est stable si toutes les perturbations possibles oscillent ou décroissent au cours du temps. Le cas le plus simple du plasma stable est le plasma en équilibre thermodynamique local placé dans un champ magnétique uniforme. En général, les plasmas naturels comme les plasmas de laboratoire sont turbulents.

Les instabilités peuvent provenir des mouvements microscopiques des particules chargées (micro-instabilités) ou peuvent être du type magnétohydrodynamique, c’est-à-dire décrites par les équations des fluides (macro-instabilités). Contrairement aux macro-instabilités, les micro-instabilités n’engendrent pas directement la destruction rapide de la configuration physique du plasma, mais déterminent l’apparition de certains phénomènes tels que l’augmentation anormale de la diffusion des particules et la diminution de la conductivité électrique. Les écarts à l’équilibre thermodynamique, dus à la formation brutale du plasma ou à la création de son confinement transversal ou longitudinal par un champ magnétique, sont à l’origine des micro-instabilités. Dans les micro-instabilités, on peut ranger: les instabilités «faisceau plasma» (effet Landau inverse), dont certaines conduisent à des effets de résistivité anormale du plasma; les instabilités de «dérive» liées au principe même du confinement d’un plasma de faible pression par un champ magnétique uniforme créé par des courants extérieurs; les instabilités de «cône de perte», d’anisotropie de pression et de température, rencontrées dans les confinements à miroirs (plasma dans un champ magnétique non uniforme). Dans les macro-instabilités, l’une des plus importantes est l’instabilité d’interchange des tubes de flux, liée à la courbure des lignes du champ magnétique: plasma stable si les lignes de force sont convexes par rapport au plasma. Une de ces instabilités (en «saucisse») arrive dans le cas de confinement d’un plasma par le champ magnétique créé par son propre courant (striction). L’influence stabilisatrice du «croisement» des lignes de force (shear ) de deux nappes voisines est souvent utilisée pour combattre ce type d’instabilité.

En laboratoire, on essaie de limiter ou de supprimer les instabilités à l’aide du seul paramètre dont on dispose: la forme du champ magnétique. C’est le but de toutes les études effectuées sur les différentes possibilités de configurations magnétiques: striction tubulaire stabilisée par un shear, machines à miroirs magnétiques, puits magnétiques, configurations fermées toriques du type Stellarator (en huit), du type Tokamak, ou encore les configurations multipolaires.