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Theses Year : 2019

Simulation of the interaction between plasma ions and waves at ion cyclotron frequency with the EVE and SPOT codes

Simulation de l'interaction entre les ions du plasma et l'onde à fréquence cyclotronique ionique avec les codes EVE et SPOT

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Abstract

Thermonuclear fusion is the great scientific challenge of our century to solve the energy transition from fossil fuels to clean, carbon-free mass energy. Tokamak technology is the most advanced technology to date for the success of this challenge. The importance of the energy transition in this sense is such that a world-wide scientific cooperation was launched in November 1985 under the ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) programme based in the south of France near Cadarache, a major French nuclear research centre. Fusion reactions occur naturally in the heart of the sun and therefore require extreme temperature and density conditions. In terms of scale, to ensure the ignition of fusion by magnetic confinement, the plasma must be at a temperature of about ten keV and a density of 10^20 particles/m3. The study of Tokamak's plasma heating systems is largely adequate to meet these extreme conditions. For this purpose three main heating classes exist. The ohmic heating produced by the plasma current generally used to initiate the plasma in Tokamak. Neutral Beam Injection (NBI) heating, which consists in injecting fast neutrals that increase the plasma energy by colliding with each other. Electromagnetic wave heating, which consists of sending a wave into the plasma that will couple with it and includes three categories of heating, an ion heater called ICRH (Ion Cyclotron Resonance Heating), an electronic heater called ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating) and an ion and electronic heater called LHCD (Lower Hybrid Current Drive). The work presented in this thesis consisted in improving the modeling of ionic heaters by taking into account the feedback of the ionic distribution of plasma on the propagation and absorption of the ICRF wave (from the English Ion Cyclotron Resonance Frequency), used in ICRH heating, by creating a code coupling (NEMO/EVE/SPOT/RFOF) forming a workflow available on a European integrated modelling platform called EUITM. Indeed, when the ionic distribution of the plasma presents a significant proportion of fast ions, previous models did not find all the neutron levels, indirect diagnosis of fast ions, produced by fusion reactions. This new workflow was tested using data from JET (Tokamak European based in Culham) using the synergy of NBI and ICRH, a heating scenario producing a large proportion of fast ions in the plasma. The comparison of neutron levels found experimentally and via self-coherent modeling has demonstrated the importance of taking into account the feedback of ion distribution in the absorption of the ICRF wave in the modeling of the synergy of ion heating systems. In addition, our simulations have demonstrated the effectiveness of the synergy effects of NBI and ICRH (compared to their purely additive application) when the deposition of ionic particles produced by NBI is located near the resonance layer of the ICRH. One of the perspectives of this work is the combination of self-coherent modelling of ion heating sources with a equilibrium transport code. This would allow better consideration of the rapid ion dynamics produced by ICRH in studies of central accumulation of heavy impurities.
La fusion thermonucléaire est le grand défi scientifique de notre siècle pour résoudre la transition énergétique des énergies fossiles à une énergie de masse, propre et décarbonée. La technologie des Tokamaks est celle la plus avancée à ce jour pour la réussite de ce défi. L'importance de la transition énergétique dans ce sens est telle qu'une coopération scientifique mondiale à vue le jour en novembre 1985 sous le programme ITER (de l'anglais : International Thermonuclear Experimental Reactor) basé dans le sud de la France à coté de Cadarache grand centre de recherche nucléaire français. Les réactions de fusions se produisent naturellement au coeur du soleil et donc demande des conditions de température et de densité extrêmes. En terme d'ordre de grandeur, pour assurer l'ignition de la fusion par confinement magnétique le plasma doit être à une température d'une dizaine de keV et à une densité de 10^20 particules/m3. L'étude des systèmes de chauffage des plasmas de Tokamak permet en grande partie de répondre à ces conditions extrêmes. Pour cela trois grandes classes de chauffage existent. Le chauffage ohmique produit par le courant plasma généralement utilisé pour initier le plasma dans le Tokamak. Le chauffage par injection de neutres nommé NBI (de l'anglais Neutral Beam Injection) qui consiste à injecter des neutres rapides qui en se ionisant augmentent par collisions l'énergie du plasma. Le chauffage par onde électromagnétique qui consiste à envoyer une onde dans le plasma qui va se coupler avec celui-ci et regroupe trois catégories de chauffage, un chauffage ionique nommé ICRH (de l'anglais Ion Cyclotron Resonance Heating), un chauffage électronique nommé ECRH (de l'anglais Electron Cyclotron Resonance Heating) et un chauffage ionique et électronique nommé LHCD (de l'anglais Lower Hybrid Current Drive). Le travail présenté dans cette thèse a consisté à améliorer la modélisation des chauffages ioniques en tenant compte de la rétroaction de la distribution ionique de plasma sur la propagation et l'absorption de l'onde ICRF (de l'anglais Ion Cyclotron Resonance Frequency), utilisée dans le chauffage ICRH, par la création d'un couplage de codes (NEMO/EVE/SPOT/RFOF) formant un workflow disponible sur une plateforme de modélisation intégrée européenne nommé EUITM. En eet lorsque la distribution ionique du plasma présente une part significative d'ions rapides les modélisations précédentes ne retrouvaient pas la totalité des taux de neutrons, diagnostic indirect d'ions rapides, produits par les réactions de fusion. Ce nouveau workflow a été testé à partir des données d'une décharge de JET (Tokamak Européen basé à Culham) utilisant la synergie des chauages NBI et ICRH, scénario de chauffage produisant une grande part d'ions rapides dans le plasma. La comparaison des taux de neutron trouvés expérimentalement et via la modélisation auto-cohérente a prouvé l'importance de tenir compte de la rétroaction de la distribution ionique dans l'absorption de l'onde ICRF dans la modélisation de la synergie des chauages ioniques. Par ailleurs nos simulations ont permis de démontrer l'efficacité des effets de synergie des chauffages NBI et ICRH (par rapport à leur application de façon purement additive) lorsque le dépôt de particules ionique produit par NBI est localisé proche de la couche de résonance du chauffage ICRH. Une des perspectives de ce travail est la combinaison de la modélisation auto-cohérente des sources de chauffage ionique à un code de transport de d'équilibre. Cela permettrait une meilleure prise en compte de la dynamique des ions rapides produit par ICRH dans le cadre des études d'accumulation centrale d'impuretés lourdes
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tel-02612260 , version 1 (06-09-2022)

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Cite

Julie Joly. Simulation de l'interaction entre les ions du plasma et l'onde à fréquence cyclotronique ionique avec les codes EVE et SPOT. Physique [physics]. AMU Aix Marseille Université, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02612260⟩
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