Étude des structures de courant et de potentiel autour d’une antenne radio-fréquence dans un plasma magnétisé

Study of current and potential structures around a radiofrequency antenna in a magnetized plasma

• Auteur / Autrice : Jordan Ledig
• Direction : Nicolas Lemoine, Eric Faudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Gravier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Lemoine, Eric Faudot, James Paul Gunn, Pascal Chabert, Gérard Henrion, Kristel Crombé, Stéphane Béchu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : James Paul Gunn, Pascal Chabert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Température ionique

Sondes de Langmuir

Plasmas (gaz ionisés) -- Chauffage

Chauffage par microondes

Mots clés libres

Antenne RF

Plasma magnétisé

Plasma RF

Tube de flux

Mesures de sonde de Langmuir

Structure de potentiel

Structure de densité

Structure de température

Modélisation

RF antenna

Magnetized plasma

RF plasma

Flux tube

Langmuir probe measurements

Potential structure

Density structure

Temperature structure

Modelization

Résumé

La fusion thermonucléaire contrôlée est une solution envisageable pour la production d’une énergie propre quasi inépuisable pour les générations à venir. Cependant, les températures requises pour procéder à la fusion des noyaux sont de l’ordre de la centaine de millions de degrés. À ces températures la matière se trouve dans l’état de plasma, un gaz ionisé, ce qui nous permet de le confiner dans des champs magnétiques puissants. Parmi les moyens de chauffage utilisés dans les réacteurs à fusion magnétique (les Tokamaks et les Stellarator), nous nous intéresserons au chauffage par résonance cyclotron ionique via des antennes émettant un champ électromagnétique dans la gamme des radio-fréquences. La compréhension du comportement du plasma autour de ces antennes ICRH ou plus généralement en présence d’ondes RF et d’un champ magnétique est un enjeu majeur pour minimiser les flux de particules accélérées dans les gaines RF au contact d’une antenne ou d’une électrode. Le réacteur expérimental ALINE (a linear experiment) a été justement conçu dans le but d’étudier les gaines RF et les structures se générant autour des antennes. Cette thèse présente les résultats expérimentaux obtenus dans ALINE par le biais de mesures de sonde de Langmuir. Un bras manipulateur permet de bouger automatiquement la sonde dans toute l’enceinte, et de dresser une cartographie des paramètres du plasma. Après avoir étudié en profondeur le problème des mesures de sonde sous champ (surface effective de collection électronique, caractéristiques bossues), la mise au point d’un algorithme itératif d’exploitation du courant ionique de saturation des caractéristiques de sonde a permis d’exploiter automatiquement toutes les données acquises. Les mesures sont confrontées à plusieurs théories et simulations, afin de modéliser et de comprendre au mieux les structures de paramètres plasma en face d’une électrode RF inclinée par rapport aux lignes de champ magnétique.

Controlled thermonuclear fusion is a possible solution for the production of almost inexhaustible clean energy for future generations. However, the temperatures required to carry out the fusion of the nuclei are of the order of one hundred million degrees. At these temperatures matter is in the state of plasma, an ionized gas, which allows us to confine it in strong magnetic fields. Among the heating means used in magnetic fusion reactors (Tokamaks and Stellarators), we will be interested in ion cyclotron resonance heating via antennas emitting an electromagnetic field in the radio frequencies range. Understanding the behavior of plasma around these ICRH antennas or more generally in the presence of RF waves and a magnetic field is a major issue to minimize the flow of accelerated particles in RF sheaths in contact with an antenna or an electrode. The ALINE experimental reactor (a linear experiment) was precisely designed with the aim of studying the RF sheaths and the structures generated around the antennas. This thesis presents the experimental results obtained in ALINE by means of Langmuir probe measurements. A manipulator arm makes allows us to automatically move the probe within the wole device, and to draw up a map of the plasma parameters. After having studied in depth the problem of probe measurements under field (effective surface of electronic collection, bumped characteristics), the development of an iterative algorithm of exploitation only using the ionic saturation current of the probe characteristics made it possible to exploit automatically all acquired data. The measurements are confronted with several theories and simulations, in order to model and to better understand the plasma parameter structures in front of an RF electrode inclined with respect to the magnetic field lines.