Modeling of the negative ion extraction from a hydrogen plasma source : application to ITER neutral beam injector

par Serhiy Mochalskyy

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Tiberiu Minea.

Le président du jury était Christophe Blondel.

Le jury était composé de Tiberiu Minea, Christophe Blondel, Ursel Fantz, Guy Bonnaud, Alain Simonin.

Les rapporteurs étaient Ursel Fantz, Guy Bonnaud.

  • Titre traduit

    Modélisation de l'extraction d'ions négatifs d'une source de plasma d'hydrogène : application à l'injecteur de neutres d'ITER.


  • Résumé

    Le développement de la source d'ions négatifs pour l’injecteur de particules d’ITER constitue une des étapes essentielles pour générer des neutres de haute énergie . Pour remplir les caractéristiques requises pour ITER en termes de chauffage et de courant à l'intérieur du réacteur principal, la source d'ions négatifs doit délivrer 40A de D-. La création d'une telle source représente un défi tant technique que scientifique et demande une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliquées . Les connaissances actuelles sur le méchanisme d'extraction d'ion négatifs d’un plasma électronégatif sont limitées, spécialement concernant la compréhension des caractéristiques d'une gaine de plasma magnétisé dans la région d’intérêt où on constante également l’extraction des électrons simultanément avec les ions négatifs qui. De plus, l'asymétrie due à la configuration croisée du champ magnétique pour piéger les électrons nécessite une étude du problème en trois dimensions. Un code 3D Particle-In-Cell électrostatique a été spécialement développé pour étudier ce problème. Le code utilise les coordonnées cartésiennes et peut prendre en compte des géométries complexes. Le code nommé ONIX étudie les propriétés du plasma et le transport des électrons et des ions négatifs au niveau de la zone d'extraction. Les résultats sur la formation d'un ménisque de plasma et l'écrantage du champ d'extraction par ce plasma, ainsi que les trajectoires des ions négatifs, sont présentés. L'efficacité de l'extraction d'ions négatifs du volume et de la surface est investiguée et on trouve que les processus de création en surface des ions négatifs jouent un rôle capital.


  • Résumé

    The development of the negative ion source constitutes a crucial step in the construction of the neutral beam injector of ITER. To fulfil the ITER requirements in terms of heating and current drive, the negative ion source should deliver 40 A of D-. The achievement of such a source is challenging from technical and scientific points, and it requires a deeper understanding of the underlying physics. The present knowledge of the ion extraction mechanism from the negative ion source is limited due to the complexity of the problem that involves the comprehension of the behaviour of magnetized plasma sheaths when negative ions and electrons are pulled out from the plasma. Moreover, due to the asymmetry induced by the crossed magnetic configuration used to filter the electrons, any realistic study of this problem must consider the three spatial dimensions. To address this problem in a realistic way, a 3D Particles-in-Cell electrostatic code specifically designed for this system was developed. The code uses Cartesian coordinate system and it can deal with complex boundary geometry as it is the case of the extraction apertures. The complex magnetic field that is applied to deflect electrons is also taken into account. This code, called ONIX, was used to investigate the plasma properties and the transport of negative ions and electrons close to a source extraction aperture. Results on the formation of the plasma meniscus and the screening of the extraction field by the plasma are presented here, as well as negative ions trajectories. Negative ion extraction efficiency from volume and surfaces was investigated showing the capital importance of the surface negative ion production.


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