Étude expérimentale d'interactions entre antennes HF et plasma périphérique d'un Tokamak

Experimental study of the interaction between RF antennas and the edge plasma of a tokamak

• Auteur / Autrice : Martin Kubic
• Direction : Stéphane Heuraux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/10/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Michel Vergnat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : James Paul Gunn, Vojtech Svoboda, Dirk Van Eester
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Noterdaeme, Roman Schrittwieser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaines de plasma

Sondes de Langmuir

Plasmas (gaz ionisés) -- Chauffage

Tokamaks

Mots clés libres

Plasma

Sonde de Langmuir

Antenne ICRF

Gaine

Plasma

Langmuir probe

ICRF antennas

Sheath

Résumé

Les antennes en opération dans la gamme de fréquence cyclotron ionique représentent un moyen utile pour chauffer du plasma dans les tokamaks et autres plasmas de fusion. Ces systèmes de chauffage sont amenés à jouer un rôle important dans le projet ITER. Conjointement avec le chauffage souhaité, les interactions parasites avec le bord du plasma et de la limite des matériaux apparaissent. Plusieurs de ces effets délétères sont causés par la formation de la radio-fréquence des gaines. L'objectif de cette thèse est d'étudier, principalement de façon expérimentale, les modifications du plasma de bord «scrape-off layer» causées par les effets non-linéaires des gaines RF. Cela se fait en utilisant les sondes électrostatiques (de Langmuir, Retarded Field Analyser, tunnel) pour différentes configurations du plasma et des antennes: avec des études paramétriques en fonction du déséquilibre entre les émetteurs de l'antenne, de la puissance injectée et de la densité SOL. De plus, l'influence des gaines RF sur les mesures du potentiel de la gaine avec le RFA sont analysées. Cette étude s'effectue à l'aide d'un code 1D basé sur le modèle cinétique «particle-in-cell». Ces simulations ont montré que la RFA est capable de mesurer de manière fiable le potentiel gaine, toutefois cela reste limité pour les fréquences de plasma ionique wpi proche de la fréquence injectée wrf. Par contre, pour des conditions réelles du SOL (wpi>wrf), quand RFA est magnétiquement connectée à la structure de l'antenne RF, il est fortement sous-estimé. Enfin, les mesures de RFA dans Tore Supra indiquent que les potentiels RF se propagent au moins jusqu'à de 12m de l'antenne le long de lignes de champ magnétiques

Antennas operating in the ion cyclotron range of frequency (ICRF) provide a useful tool for plasma heating in many tokamaks and are foreseen to play an important role in ITER. However, in addition to the desired heating in the core plasma, spurious interactions with the plasma edge and material boundary are known to occur. Many of these deleterious effects are caused by the formation of radio-frequency (RF) sheaths. The aim of this thesis is to study, mainly experimentally, scrape-off layer (SOL) modifications caused by RF sheaths effects by means of Langmuir probes that are magnetically connected to a powered ICRH antenna. Effects of the two types of Faraday screens' operation on RF-induced SOL modifications are studied for different plasma and antenna configurations - scans of strap power ratio imbalance, injected power and SOL density. In addition to experimental work, the influence of RF sheaths on retarding field analyzer (RFA) measurements of sheath potential is investigated with one-dimensional particle-in-cell code. One-dimensional particle-in-cell simulations show that the RFA is able to measure reliably the sheath potential only for ion plasma frequencies wpi similar to RF cyclotron frequency wrf, while for the real SOL conditions (wpi > wrf), when the RFA is magnetically connected to RF region, it is strongly underestimated. An alternative method to investigate RF sheaths effects is proposed by using broadening of the ion distribution function as an evidence of the RF electric fields in the sheath. RFA measurements in Tore Supra indicate that RF potentials do indeed propagate from the antenna 12m along magnetic field lines