Studying divertor relevant plasmas in linear devices : experiments and transport code modelling

par Karol Jesko

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière

Sous la direction de James Paul Gunn et de Richard Van Der Sanden.

Le président du jury était Gilles Cartry.

Le jury était composé de Ebert Ute, Gerrit Kroesen, Hennie Van Der Meiden.

Les rapporteurs étaient Bruce Lipschultz, Detlev H. Reiter.

  • Titre traduit

    Etude du plasma de divertor dans les machines de plasma linéaires : expériences et modélisation avec un code de transport de bord


  • Résumé

    Les prédictions concernant le fonctionnement des divertors de tokamak reposent généralement sur des codes de transport de bord, consistant en un code de plasma fluide associé à un code de Monte Carlo pour les espèces neutres. Les machines linéaires Magnum-PSI et Pilot-PSI chez DIFFER, produisant des plasmas comparables à ceux d'ITER (Te ∼ 1 eV, n_e ∼ 10²⁰ m⁻³). Dans cette thèse, les décharges de plasma ont été étudiées expérimentalement et par modélisation utilisant le code Soledge2D-Eirene afin de: a) rechercher quels phénomènes doivent être inclus dans la modélisation pour reproduire les tendances expérimentales et b) pour mieux interpréter les expériences . Expérimentalement, l’effet de la pression neutre Pn a été étudié par diffusion Thomson, par une sonde de Langmuir, par spectroscopie visible et par calorimétrie. Nous avons montré qu'un faisceau de plasma peut être efficacement terminé par une couche de gaz neutre. Ensuite, à partir de comparaisons d’expériences et de simulations, nous avons montré qu’il était essentiel d’inclure les collisions élastiques entre le plasma et les molécules pour pouvoir reproduire les expériences. De plus, la Te proche de la cible est systématiquement surestimé, ce qui sous-estime le taux de recombinaison. Enfin, nous avons montré expérimentalement l’importance de l’inclusion de la recombinaison de surface dans le flux d’énergie de surface dans les plasmas à basse température. Les travaux présentés dans cette thèse contribuent à la compréhension des interactions plasma-neutre, en particulier dans les concepts de divertors plus fermés de nouvelle génération (MAST-upgrade, DIII-D).


  • Résumé

    Predictions for the operation of tokamak divertors typically rely on edge transport codes, consisting of a fluid plasma code in combination with a Monte Carlo code for neutral species. The linear devices Magnum-PSI and Pilot-PSI at DIFFER, operating with a cascaded arc plasma source that produces plasmas comparable to those expected in the ITER divertor (Te ∼ 1 eV, n_e ∼ 10²⁰ m⁻³). In this thesis, plasma discharges have been studied both experimentally and by modelling using the Soledge2D-Eirene code in order to a) investigate which phenomena need to be included in the modeling to reproduce experimental trends and b) provide new insights to the interpretation of experiments. Experimentally, the effect of neutral pressure Pn was investigated using Thomson scattering, a Langmuir probe, visible spectroscopy and calorimetry. We have shown that a plasma beam can be effectively terminated by a blanket of neutral gas. Next, from comparisons of experiments and simulations, we have found that it is critical to include elastic collisions between the plasma and molecules if experiments are to be reproduced. Furthermore, the near-target Te is systematically overestimated by the code, underestimating the recombination rate thereby. Lastly, we have experimentally shown the importance of the inclusion of surface recombination to the surface energy flux in low temperature plasmas, an effect that is generally known but difficult to measure in fusion devices. The work presented in this thesis contributes to the understanding of plasma-neutral interactions especially in new generation, closed divertor concepts (i.e. MAST-upgrade, DIII-D).

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