Design and operation of antennas at the ion cyclotron and lower hybrid range of frequencies for nuclear fusion reactors

par Walid Helou

Thèse de doctorat en Physique Théorique et Mathématique

Sous la direction de Marc Goniche.

Soutenue le 24-11-2017

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache) (laboratoire) et de Laboratoire d'Etudes de PHysique (CEA Cadarache) (laboratoire) .

Le président du jury était Gérard Tayeb.

Le jury était composé de Frédéric Durodié, Riccardo Maggiora, Didier Moreau, Julien Hillairet, Richard Goulding.

Les rapporteurs étaient Hervé Aubert, Ronan Sauleau.

mots clés

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• Fusion nucléaire par confinement magnétique
• Tokamaks
• Interactions plasma-onde

Titre traduit

Conception et opération d'antennes aux fréquences cyclotronique ionique et hybride basse pour les réacteurs à fusion nucléaire

Résumé

Cette thèse fournit en premier lieu une brève introduction à la fusion nucléaire par confinement magnétique et aux tokamaks. Elle explique la nécessité de disposer de systèmes électromagnétiques aux fréquences cylctronique ionique (ICRF) et hybride basse (LHRF) pour le chauffage du plasma et la génération de courant. En second lieu les conditions à satisfaire afin d’assurer une propagation de l'onde plasma et une résonance onde-particules sont définies. Le solveur de réseaux hyperfréquences SIDON, développé pour cette thèse, est ensuite présenté. La thèse aborde ensuite les types d'antennes ICRF et l'adaptation d'impédance des réseaux de boucles rayonnantes. Les antennes ICRF de WEST sont présentées en détail et des simulations faites avec SIDON de scénarios d'adaptation d'impédance sont discutées. La thèse discute d’un banc de test faible puissance (milliwatt) développé pour les antennes ICRF de WEST ainsi que la caractérisation à faible puissance de la première d’entre elles. De plus, des expériences à forte puissance (mégawatt) avec l'antenne ITER-Like Antenna de JET sont discutées. Les antennes LHRF sont ensuite abordées ainsi que la modélisation numérique du couplage de réseaux phasés de guide d'ondes au plasma. La conception d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation est discutée. ASTARTE-LP est un prototype faible puissance (milliwatt) d’une antenne basée sur le concept de guides à fentes et qui a été conçu pour être testé sur COMPASS. Enfin, la validation expérimentale d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation avant les expériences sur COMPASS, ainsi que les expériences sur COMPASS, sont discutées.

mots clés

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Résumé

The thesis provides at first a brief introduction to magnetic nuclear fusion and tokamaks. It explains the need for auxiliary plasma heating and current-drive electromagnetic systems at the Ion Cyclotron and Lower Hybrid Range of Frequencies (ICRF and LHRF). The thesis then sets antenna specifications that allow satisfying proper plasma wave propagation and proper wave-particle resonance. The Radio Frequency (RF) network solver SIDON developed for this thesis is then presented. The thesis then discusses the different types of ICRF antennas and details the challenges of the impedance matching in ICRF arrays of straps. WEST ICRF launchers are discussed in great detail and simulations of impedance matching scenarios for these launchers using SIDON are reported. The thesis reports on the low-power (milliwatt range) testbed that has been developed for WEST ICRF launchers, as well as the low-power tests of the first one among them. Furthermore, high power (megawatt range) experiments on plasma with the JET ICRF ITER-Like Antenna are reported. The thesis then provides an overview about existing LHRF antennas and discusses the numerical modeling of the coupling of waveguide phased arrays to the plasma. The RF design of ASTARTE-LP and its feeding circuit is discussed. ASTARTE-LP is a low-power (milliwatt range) prototype LHRF antenna based on the Slotted Waveguide Antenna concept that has been designed and built to perform proof of principle experiments on the COMPASS tokamak. The experimental validation of ASTARTE-LP and its feeding circuit before the experiments on COMPASS, as well as the experiments performed on COMPASS plasmas are reported.