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Notre recherche en quelques mots...

 Le plasma – Un état de la matière à part entière

Le plasma est un gaz chaud ionisé, qui contient un nombre significatif de particules chargées électriquement. Ces charges libres portées par les ions et les électrons font du plasma un état influençable par des champs électriques et magnétiques, contrairement à un gaz neutre. Que ces champs soient internes ou externes, ils induisent un comportement collectif du plasma sur de très grandes distances.
Par exemple, les électrons sont beaucoup plus mobiles que les ions (à cause de leur rapport de masse). Cela entraîne des séparations de charges localement dans le plasma. Cependant, cette séparation entraîne la création de champs électrique et magnétique internes qui vont à leur tour induire des forces sur les particules chargées. Il en résulte des fluctuations et des oscillations typiques d’un plasma.
Le type d’atomes ou de molécules, le taux d’ionisation, l’énergie des particules et l’environnement électromagnétique extérieur sont autant de paramètres qui définissent un large spectre de plasmas de différentes natures.
Plus de 99% de l’univers visible est constitué de plasma de différents types, mais l’état de plasma apparaît rarement naturellement à la surface de la terre. Cependant, nous sommes capables de créer des plasmas sur terre, et leurs caractéristiques uniques sont devenues vitales pour nombre d’applications de la vie quotidienne.
La figure ci-dessous présente une classification des plasmas par leur énergie, caractérisée par la température électronique, et leur densité de particules chargées.

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Classification des plasmas naturels et de laboratoire dans un diagramme logarithmique densité de charges/température

La physique des plasmas peut être classée en trois grandes sections :
-  Les plasmas spatiaux
-  Les plasmas industriels
-  Les plasmas de fusion

Quel que soit le type de plasma, les questions générales pour la compréhension des phénomènes restent identiques (étude du comportement collectif, le transport des particules et de l’énergie, interaction entre deux plasmas de nature différente…). La recherche est donc souvent à la fois tournée vers l’étude des plasmas naturels mais aussi vers leurs applications industrielles.

 Les plasmas spatiaux

Dans notre système solaire, le Soleil, le milieu interplanétaire, les magnétosphères et les ionosphères de la Terre et des autres planètes, ainsi que les ionosphères des comètes et de certaines lunes sont tous composés de plasmas. Les étoiles, les jets stellaires et intergalactiques, et le milieu interstellaire sont des exemples de plasmas astrophysiques.

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photographie nébuleuse

Plus précisément, pratiquement toute la matière visible située à plus de 100 km d’altitude au dessus de la terre (à l’intérieur et au dessus de l’ionosphère) est constituée de plasmas de diverses natures, et constitue plus de 99% de l’univers visible. (Le terme visible est important étant donné qu’approximativement 90% de la masse de l’univers est supposée être contenue dans la « matière noire » dont l’état et la composition sont inconnus).

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couronne solaire

Les plasmas spatiaux sont extrêmement ténus et chauds, avec des densités beaucoup plus faibles et des températures bien plus élevées que celles des plasmas de laboratoire. Mais malgré une densité « faible » comparée à celle des plasmas de laboratoire, le degré d’ionisation peut varier d’un faible pourcentage jusqu’à avoir un plasma totalement ionisé. L’une des caractéristiques remarquable d’un plasma spatial est sa tendance à former de nettes frontières entre les plasmas de différentes natures. Ces limites franches peuvent avoir de profondes implications astrophysiques telles que la génération de champ électrique dans l’espace et la création de sources d’énergie pour transporter les courants électriques sur de très grandes distances. Par ailleurs, tous les plasmas spatiaux peuvent être traversés par des champs magnétiques qui influencent leurs propriétés physiques de différentes manières, parfois violemment. Dans certains cas, la force magnétique est localement plus importante que la force gravitationnelle, et dans d’autres cas la conductivité du plasma est si grande que le champ magnétique est « gelé » dans le plasma. Une des illustrations de la complexité des plasmas spatiaux est le vent solaire et son influence sur terre.

 La connexion soleil-terre

Le Soleil génère un plasma hautement conducteur à des vitesses supersoniques de l’ordre de 500km/s dans l’espace interplanétaire. (En considérant la gravitation du soleil, cette accélération est surprenante et pas encore totalement expliquée). Ce plasma, appelé vent solaire, est constitué essentiellement de protons et d’électrons avec un faible pourcentage d’ions d’hélium. Du fait de la forte conductivité, le champ magnétique solaire est « gelé » au plasma et emporté par l’expansion du vent solaire.
Quand le vent solaire (et son champ magnétique interplanétaire) rencontre le champ magnétique dipolaire terrestre il subit une déviation. Etant donné que le vent solaire frappe cet « obstacle » avec une vitesse supersonique, une onde de choc est générée. Le vent solaire est ralenti durant ce processus et une partie non négligeable de l’énergie cinétique des particules est convertie en énergie thermique. La pression cinétique du vent solaire déforme le champ magnétique terrestre. Du côté « jour » (face au Soleil), le champ est comprimé alors que du côté « nuit » il est étiré sous forme d’une longue queue magnétique qui s’étend jusqu’à l’orbite de la Lune. Le plasma n’est pas uniformément réparti dans la magnétosphère (cf. figure), mais se regroupe dans différentes régions avec des densités et des températures différentes.

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Schéma de l’interaction entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre

 Les plasmas froids

Les plasmas froids sont des gaz partiellement ionisés dans lesquels les neutres et les ions sont à faible température (100-1000 K) alors que les électrons peuvent atteindre 10^4-10^5 K : ce sont des plasmas hors équilibre thermodynamique. Ces électrons très énergétiques sont à l’origine de la formation d’ions et de radicaux très réactifs chimiquement permettant l’utilisation des plasmas froids à pression atmosphérique pour la dépollution de l’air ou de l’eau (photo ci-dessous), ou bien pour la stérilisation avec un faible coût énergétique. En ce qui concerne les applications à basse pression, leur homogénéité sur des grands volumes permet de les utiliser pour l’éclairage, les traitements de surface ou bien encore pour la gravure et le dépôt en micro-électronique, et plus récemment pour la propulsion spatiale. Ainsi, l’étude des plasmas froids relève de l’ingénierie mais contient une physique riche et complexe, ce qui en fait un sujet d’étude intéressant aussi bien pour les industriels que pour les chercheurs.

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Décharge filamentaire en milieu liquide par Paul Ceccato

 Les plasmas de fusion

Le plus grand défi de la physique des plasmas du XXIème siècle consiste à reproduire une réaction thermonucléaire qui a lieu au cœur du soleil dans une enceinte confinée, afin de produire de l’énergie électrique : c’est le projet ITER. La réaction la plus probable, écrite ci-dessous, correspond à la fusion d’un atome de deutérium et d’un atome de tritium pour former un atome d’Hélium et un neutron. La masse des produits étant inférieure à la masse des réactifs, cette réaction s’accompagne d’un dégagement d’énergie de 17,6 MeV principalement contenu par le neutron. Celui-ci va sortir du plasma puis servir à vaporiser l’eau qui, passant dans une turbine, produit de l’électricité.

1D2 + 1T3→2He4+0n1 + 17.6 MeV

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vue d’artiste du réacteur d’ITER

Pour réaliser cette réaction de fusion, il faut réaliser un critère dépendant de 3 paramètres :
- La température T. Les réactifs doivent avoir une énergie suffisante pour vaincre la répulsion coulombienne des noyaux. Typiquement, les réactifs doivent atteindre une température de 200 millions de Kelvins. A cette température, le gaz est complètement ionisé : c’est un plasma.
- La densité n. Les réactifs doivent avoir une densité suffisante pour que la réaction ait lieu et dégage suffisamment d’énergie à son auto-entretien.
- Le temps de confinement te. Le plasma doit être suffisamment confiné pour limiter ses pertes d’énergie aux parois. En effet, comme aucun matériau ne peut résister à de telles températures, le plasma est confiné magnétiquement : Des bobines(en rouge) créent un champ magnétique torique très puissant schématisé par ses lignes de champ(en bleu). La trajectoire des ions et des électrons s’enroule sur ces lignes de champ, confinant le plasma au cœur du réacteur. Cependant, à cause notamment de la turbulence, le plasma atteint pratiquement les bords du réacteur. Le temps de confinement mesure le temps de diffusion du plasma aux parois.

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Lignes de champ magnétique

Lawson a établi un critère prédisant que le produit de ces 3 paramètres doit atteindre une valeur seuil pour que la réaction de fusion puisse produire de l’énergie :
n.T.te>5 10^21 keV.s/m^3
ITER sera la première machine utilisant la configuration de champ magnétique tokamak pouvant atteindre ce critère.
Cependant, de nombreux aspects doivent encore être développés :
- Maîtrise des réactions de fusion, particulièrement d’une réaction auto-entretenue ;
- Production massive de tritium ;
- Invention d’un matériau résistant aux flux de neutrons (produits par la fusion) pour les enceintes de confinement

 Les plasmas chauds impulsionnels

Depuis les travaux russes de la fin des années 50, les compressions magnétiques (ou Z-pinch) ont constitué un thème d’étude très riche. Elles ont stimulé des travaux fondamentaux sur le chauffage du plasma par un champ magnétique pulsé et les instabilités ou le développement de codes de MagnétoHydroDynamique, mais aussi la science et la technologie des puissance pulsées. Les Z-pinches se sont révélés ainsi comme des sources de rayonnement X extrêmement puissantes aux multiples applications.

Présentés dès le début comme une voie vers la fusion par confinement inertiel et un temps délaissés au profit des voies confinement magnétique et laser, les Z-pinches retrouvent un engouement avec notamment la récente remise à niveau de la machine ZR aux laboratoires américains Sandia et l’apparition des nouveaux schémas prometteurs de chauffage de plasma dans les Z-pinches. Cette physique est étudiée dans le contexte actuel des machines de classe internationale, aux USA (ZR, Zebra), en Russie (GIT, S300), en G.-B. (MAGPIE) et en France (SPHINX).

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Schéma d’implosion d’une cible à multi-fils. De g. à dr. : (i) configuration initiale, le courant induit un champ magnétique azimutal et une force de Lorentz centripète, (ii) implosion, la matière ionisée est chauffée et accélérée vers l’axe (iii) stagnation, le chauffage se poursuit avec émission de rayonnement X (d’après Sandia National Laboratories)

Il existe beaucoup de domaines où ces plasmas apportent des informations ou des solutions :

- Astrophysique et physique spatiale (opacité, équation d’état, spectroscopie des plasmas, instabilités des supernovae, réactions thermonucléaires).

- Hydrodynamique (chocs) et matériaux (équation d’état, opacité, durcissement).

- Physique des Plasmas (stabilité des Z-pinches, instabilité et turbulence, transfert de chaleur).

- Sources de rayonnement (sources spectrales continues et de raies, sources X et laser X).


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