Dust transport in tokamaks

par Adrien Autricque

Thèse de doctorat en Energie, Rayonnement, Plasma

Sous la direction de Jean-Marc Layet et de Christian Grisolia.

Le président du jury était Cécile Arnas.

Le jury était composé de Nicolas Fedorczak, Sergey Khrapak, François Gensdarmes.

Les rapporteurs étaient Thierry Belmonte, Khaled Hassouni.

  • Titre traduit

    Transport des poussières dans les tokamaks


  • Résumé

    Les nombreux avantages que présenteraient la fusion thermonucléaire, en particulier la configuration tokamak, en font un candidat idéal en vue de la transition énergétique. Cependant, un certain nombre de difficultés technologiques et physiques restent à résoudre avant que l'étape d'une centrale électrique à fusion puisse voir le jour. La production de poussières est l'une des principales difficultés rencontrées dans les tokamaks. Ces petites particules composées de matériaux présents dans les parois de la machine sont créées par l'érosion de ces parois par le plasma dans lequel les réactions de fusion doivent avoir lieu. Les poussières peuvent être transportées dans le plasma et y libérer de grandes quantités d'impuretés, ce qui a pour conséquence de baisser les performances de la machine (en augmentant les pertes radiatives et en créant des instabilités), et qui peut mettre en danger les composants face au plasma. Dans le but de comprendre le transport de ces poussières, des expériences d'injection sont réalisées sur le tokamak coréen \KSTAR. Les trajectoires des poussières dans le plasma sont observées par des caméras rapides et sont extraites des films à l'aide de routines de traitement d'images. Un code numérique implémentant les derniers modèles d'interactions plasma-poussières est développé, et des comparaisons avec les données expérimentales sont faites, confirmant la tendance générale de ces modèles à la sous-estimation de la longueur des trajectoires des poussières. Des pistes d'amélioration sont présentées. Concernant les sources et puits de poussières, l'accent est porté sur l'adhésion et remise en suspension de particules sur les parois de la machine.


  • Résumé

    Thermonuclear fusion could play an important role amongst the numerous alternative energy sources, especially though the tokamak configuration. It could be a prime candidate for the energy transition, owing to its significant advantages (fuel abundance, low amount of wastes generated, low risks of accidents). However, a certain amount of technological and physical challenges require solving before any fusion power plant can be built. Dust production is one of the major difficulties encountered in tokamaks. These small particles, made out of wall material, are created by erosion of the plasma-facing components by the plasma, where the fusion reactions occur. Dust particles can be transported in the plasma, thereby unleashing large amounts of impurities, which in turn reduces the plasma performances (by raising radiative losses and generating instabilities) and can even jeopardize plasma-facing components. Aiming to understand dust transport, injection experiments are performed on the Korean tokamak \KSTAR. Trajectories are recorded on film via fast cameras and are extracted by image processing routines. A numerical tool implementing the latest models for dust-plasma interactions is developed, and comparisons with experimental data is made, confirming the overall tendency of these models to underestimate the trajectory lengths. Leads of improvements are presented. Concerning dust sources and sinks, the focus is made on dust adhesion and resuspension of dust on the machine walls.


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