Description non linéaire auto-cohérente de la propagation d'ondes radiofréquences et de la périphérie d'un plasma magnétisé

par Jonathan Jacquot

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Heuraux et de Laurent Colas.

Le président du jury était Pascal Chabert.

Le jury était composé de Kristel Crombe.

Les rapporteurs étaient Jean-Marie Noterdaeme, Steve Wukitch.


  • Résumé

    Une bonne compréhension des interactions entre les ondes à la fréquence cyclotronique ionique (FCI) (40-80MHz) et le plasma de bord est nécessaire pour injecter de fortes puissances dans un plasma de fusion en continu. Les objectifs de cette thèse étaient de modéliser séparément, avec Comsol Multiphysics, mais de façon compatible le couplage d'ondes et la formation de gaines radiofréquences (RF), qui rétroagissent sur le couplage, pour aboutir à terme à une modélisation auto-cohérente. Modéliser le couplage de l'onde rapide nécessite une description détaillée de l'antenne émettrice (2D ou 3D) et du plasma environnant par une approche pleine onde en plasma froid. L'absorption des ondes sortant du domaine de simulation est émulée par des couches parfaitement adaptées, rendues compatibles avec un tenseur diélectrique plasma. Les tendances expérimentales des résistances de couplage des antennes de Tore Supra sont qualitativement reproduites mais l'efficacité de couplage est surestimée. Parallèlement une description novatrice auto-cohérente, incluant les effets des gaines RF, de la propagation de l'onde lente et de la polarisation DC (Direct Current) du bord d'un plasma magnétisé a été développée avec le minimum d'ingrédients physiques. Dans le cas des antennes Tore Supra, le couplage du code avec TOPICA a permis d'expliciter qualitativement certaines observations inattendues sur un écran de Faraday dont le schéma électrique visait à minimiser les gaines RF. Un transport de courants DC dans la SOL est apparu nécessaire pour expliquer les structures radiales des mesures. Les barreaux coupés sont les éléments de l'antenne responsable de l'augmentation du potentiel plasma

  • Titre traduit

    Self-consistent non-linear description of radio-frequency wave propagation and of the edge of a magnetized plasma


  • Résumé

    A correct understanding of the interactions between the edge plasma and the ion cyclotron (IC) waves (40-80MHz) is needed to inject reliably large amount of power required for self-sustainable fusion plasmas. These thesis objectives were to model separately, with Comsol Multiphysics, but in compatible approaches the wave coupling and the radio-frequency (RF) sheath formation to anticipate development of a single code combining both. Modelling of fast wave coupling requires a detailed description of the antenna (2D or 3D) and of the plasma environment by a full wave approach for a cold plasma. Absorption of outgoing waves is emulated by perfectly matched layers, rendered compatible with a plasma dielectric tensor. Experimental trends for the coupling resistance of the antennas of Tore Supra are qualitatively reproduced but the coupling efficiency is overestimated. In parallel a novel self-consistent description, including RF sheaths, of the interplay between the cold wave propagation and DC biasing of the magnetized edge plasma of a tokamak was developed with the minimum set of physics ingredients. For Tore Supra antenna cases, the code coupled with TOPICA allowed to unveil qualitatively some unexpected observations on the latest design of Tore Supra Faraday screens whose electrical design was supposed to minimize RF sheaths. From simulations, a DC (Direct Current) current transport appears necessary to explain the radial structures of measurements. Cantilevered bars have been identified as the design element in the antenna structure enhancing the plasma potential


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