Étude de la microturbulence par réflectométrie dans un plasma de fusion sur le tokamak Tore-Supra, Study of fusion plasma microturbulence by reflectometry on Tore Supra tokamak
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Thèse soutenue le 06 novembre 2008: Nancy 1
La réflectométrie à balayage en fréquence en polarisation extraordinaire permet de mesurer des spectres locaux en nombre d’onde radiaux, S[_n/n](kr, r), et ainsi les profils radiaux de fluctuations de densité du plasma, sur le tokamak Tore Supra. La décomposition sur une base d’ondelettes – outil d’analyse position-fréquence – a permis de prendre en compte la forte variation radiale de la turbulence mesurée. Une attention particulière a été prêtée à la validation des spectres et profils turbulents mesurés, avec d’une part la confrontation avec des mesures expérimentales (réflectométries, sondes) et des simulations numériques. Cette mesure des fluctuations de densité a été appliquée à l’analyse du transport local, par l’étude de l’impact de la collisionnalité normalisée, __, sur le confinement du plasma. Ces analyses adimensionnelles permettent de comparer directement les plasmas réalisés dans les différents tokamaks. Une nette diminution du temps de confinement normalisé a été mise en évidence : B_E _ __-0.5±0.15. Point d’innovation, les profils radiaux de fluctuation de densité mesurés ont montré une forte augmentation de la turbulence de bord (r/a>0.8) liée à l’augmentation du __ – augmentation aussi observée à l’aide de la réflectométrie Doppler – fournissant donc une base physique expliquant la diminution de B_E avec __. Les régions plus centrales n’ont pas présenté de variations nettes (_n/n, _eff). Des simulations du plasma de coeur (code de stabilité linéaire KineZero et code gyrocinétique non-linéaire GYRO) ont été menées, afin d’analyser le comportement expérimental du plasma.
-Tore Supra
Fast-sweeping reflectometry in extraordinary mode allows direct measurement of radial wavenumber local spectra S(_n/n](kr, r), and radial profiles of density fluctuations, on Tore Supra tokamak. Wavelet-based approach – a mathematical tool for position-frequency analysis – made possible to consider the strong radial variation of the measured turbulence. Special consideration was given to the validation of spectra and turbulent profiles measurements, by comparing with experimental measurements (reflectometries, probes) and numerical non-linear gyrokinetic simulations. This density fluctuations measurement method has been used to analyse the local transport, by performing a dimensionless scaling on collisionnality, __. The scaling experiments allow direct comparisons of plasmas from different tokamaks. A clear decrease of the normalized confinement time of the plasma energy with the normalized collisionnality was observed : B_E _ __-0.5±0.15. These new measurements of density fluctuations profiles have shown an intense rise of the edge turbulence (r/a > 0.8) when increasing – also observed by Doppler reflectometry diagnostic – providing a physical explanation of the loss of confinement with the normalized collisionnality. More central regions did not present apparent variations (_n/n, _eff). Core plasma simulations (linear stability code KineZero and non-linear gyrokinetic GYRO) were performed, in order to analyse the experimental behaviour of the plasma.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10086/document
AVERTISSEMENT
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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm Institut de Recherche
sur la Fusion par
Confinement Magnétique
Faculté des Sciences & Techniques
Association Euratom-CEAU.F.R. Sciences & Techniques STMP
Ecole Doctorale EMMA
Département de Formation Doctorale POEM
Thèse de doctorat de l’Université Henri Poincaré, Nancy-I
Spécialité :Physique des plasmas
Présentée par :Thomas Gerbaud
Étude de la microturbulence
par réflectométrie dans un plasma de fusion
sur le tokamak Tore-Supra
Thèse dirigée par Stéphane Heuraux et encadrée par Frédéric Clairet
Soutenue à Nancy le 6 novembre 2008 devant le jury composé de :
Président Sadruddin BENKADDA Professeur, Marseille
Rapporteurs Dominique GRÉSILLON Professeur, École Polytechnique
Henri WEISEN Chercheur, Lausanne
Examinateurs Frédéric CLAIRET Ingénieur Physicien
Stéphane HEURAUX Professeur, Nancy
Xavier LITAUDON Ingénieur Physicien, CEATable des matières
Considérations inactuelles v
Remerciements ix
Résumés xi
Introduction 1
1 La fusion thermonucléaire par confinement magnétique 3
1.1 Bilan énergétique simplifié d’un plasma de fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 La réaction D-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Équilibre énergétique d’un plasma de fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Vers l’ignition - Critère de Lawson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 La configuration tokamak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Confinement & turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Éléments de physique des plasmas de tokamak 11
2.1 Qu’est-ce qu’un plasma? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Mouvement d’une particule-test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Transport classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Transport néo-classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Transport turbulent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.4 Nécessité d’un modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Quelques mots sur la turbulence d’un plasma magnétisé . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1 Un exemple : l’instabilité d’échange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Revue rapide des instabilités susceptibles de contribuer au transport tur-
bulent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.3 Les gradients, moteurs de la turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Conclusion - cadre de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Diagnostics de caractérisation de la turbulence 27
3.1 Diagnostics usuels de mesure de n , T , T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27e e i
3.1.1 Mesure de n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28e
3.1.2 Mesure de T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29e
3.1.3 de T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30i
3.1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Aperçu de la mesure expérimentale de la turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Intérêt de la réflectométrie à balayage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
i4 Profils de fluctuations de densité par réflectométrie 33
4.1 La réflectométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.1 Réflectomètres installés sur Tore Supra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 Le signal de réflectométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.3 Propagation d’une onde dans un plasma magnétisé . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.4 Propagation en plasma turbulent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 Méthode d’estimation des δn(r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Localisation des δn par rétrodiffusion de Bragg . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 Définition de la fonction de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.3 Traitement du signal : extraction des δφ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.4 Code de propagation full-wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.5 Calcul avec bouclage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.6 Représentations radiale et spectrale - choix de l’outil mathématique . . . 57
4.3 Description de la méthode d’extraction des δn(r) . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.1 Convergence du bouclage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.2 Sensibilité aux hypothèses sur la turbulence initiale . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.4 Calcul des profils de δn(r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4 Résultats de la routine : spectres et profils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.1 Précision des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.2 Sensibilité en nombre d’onde radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.3 Limitations des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Résultats expérimentaux 79
5.1 Comparaisons avec un code de simulation numérique : GYRO . . . . . . . . . . . 79
5.1.1 Répartition de l’énergie : S (k ,r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80δn r
5.1.2 Intensité de la turbulence : δn(r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Comparaisons expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.1 Validation expérimentale du calcul deF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82t
5.2.2 Comparaisons expérimentale des δn(r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.3 Comparaison des spectres locaux en k et k . . . . . . . . . . . . . . . . . 87r θ
5.3 Transition SOC-LOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 Analyse paramétrique en L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91n
6 Expérience de dépendance en collisionnalité sur Tore Supra 95
6.1 Principes de l’analyse adimensionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1.1 Application au plasma - lois de confinement global . . . . . . . . . . . . . 96
6.1.2 au - expériences dédiées . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1.3 Limitation des lois de confinement globales . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Contexte de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.1 Pourquoi étudier la collisionnalité? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.2 Résultats obtenus précédemment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3 Expérience menée sur Tore Supra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.1 La méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.2 Diagnostics utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3.3 Simulations CRONOS associées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.4 Analyse du confinement global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.5 Analyse locale du confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.1 Profils expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.2 Analyse des coefficients de diffusivité thermique . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.5.3 Mesures des fluctuations de densité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.6.1 Analyse de micro-stabilité lin&
