Identification of trapped electron modes in frequency fluctuation spectra of fusion plasmas

• Auteur / Autrice : Hugo Arnichand
• Direction : Roland Sabot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, rayonnement et Plasma
• Date : Soutenance le 26/10/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Hennequin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sebastien Hacquin, Andreas Kramer-Flecken, Yann Camenen, Guido Van oost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefano Coda, John Rice

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de réflectance

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Réacteur expérimental thermonucléaire international

Fusion nucléaire

Mots clés libres

Fusion

Tokamak

Plasma

Turbulence

Réflectométrie

Modes d'électrons piégés

Régimes Ohmiques

Spectres fréquentiels de fluctuations

Fusion

Tokamak

Plasma

Turbulence

Reflectometry

Trapped electron modes

Ohmiques regimes

Frequency fluctuation spectra

Résumé

La turbulence diminue le confinement du plasma et dégrade les performances des réacteurs à fusion. Différentes instabilités peuvent induire la turbulence comme les Ion Temperature Gradient (ITG) et les Trapped Electron Modes (TEM). Etant donné que les ITG et les TEM sont déstabilisés par différent gradients, ils peuvent tous les deux être stables, instables, ou donner un seul mode dominant.Il est important de pouvoir discriminer expérimentalement les régimes dominés par les TEM ou les ITG car le transport et la rotation qu’ils induisent peuvent être sensiblement différents.Des méthodes expérimentales existent pour cela, mais elles sont complexes et pas toujours réalisables. Cette thèse montre qu’une analyse des spectres fréquentiels de fluctuation peut fournir une indication expérimentale du mode dominant.En fonction du scénario du plasma, les spectres peuvent exhiber différentes composantes. Dans cette thèse il est montré que l’un d’eux appelé mode "Quasi-Cohérent" (QC) est induit par les TEM dans le plasma de cœur.Cette découverte a été faite dans des plasmas Ohmiques par des mesures de réflectométrie et des simulations gyrocinétiques combinées à un réflectomètre synthétique. Elles montrent que les TEM induisent des spectres fréquentiels étroits responsables des modes QC observés expérimentalement dans le cœur du plasma. Ces modes QC ont été renommés QC-TEM en référence à leur lien avec les TEM.Les premières applications de ces résultats ont ensuite été faites dans des plasmas Ohmiques et dans ceux chauffés par ondes à la fréquence cyclotronique électronique. De plus, des transitions ont été rapportées entre les QC-TEM et des modes MHD.

Plasma Turbulence is responsible of the anomalous transport which degrades the performances of the fusion devices. Turbulence is trigger by different instabilities such as the Ion Temperature Gradient Modes (ITG) and the Trapped Electron Modes (TEM). As ITG and TEM are driven by different gradients, they can either both be stable, both coexist or give way to a single dominant mode. The transport and the toroidal velocity induced by ITG and TEM can be noticeably different thus it is important to be able to discriminate experimentally the dominant modes. Different experimental approaches exist to distinguish ITG from TEM but they are complex and not systematically feasible. This thesis shows that frequency fluctuation spectra can provide an additional experimental indication of the dominant mode.These spectra can show different components:-Broadband spectra (delta-f around hundreds of kHz) which are generally attributed to turbulence.-Coherent modes (delta-f around 1 kHz) which oscillate at a very well-defined frequency.-Quasi-Coherent (QC) modes (delta-f around tens of kHz) which oscillate at a rather well defined frequency but are reminiscent of the broadband fluctuations.Reflectometry measurements and gyrokinetic simulations combined with a synthetic reflectometer diagnostics show that TEM can induce QC modes in the core region of Ohmic plasmas. The QC signature of TEM is due to their narrow frequency spectrum. The QC modes observed in the plasma core were renamed QC-TEM due to their TEM origins. Then, the first applications of these results are made in Ohmic and ECRH plasmas to investigate the role of TEM, and transitions are reported between QC-TEM and MHD modes.