Contrôle du rayonnement dans un plasma de fusion par confinement magnétique Rémi Dachicourt

Sommaire Introduction : La fusion magnétique Le plasma de fusion : Problématiques Le contrôle du rayonnement : Travaux effectués Conclusion & Perspectives

La réaction de fusion Fusion d’atomes légers Réaction la plus efficace : Passage de la barrière coulombienne : plasma (10 keV) Confinement de l’énergie à très haute température: champ magnétique intense (1-10T) 3H 2H 4He n Tokamak : chambre torique avec bobines magnétiques  Configuration utilisant le confinement magnétique pour la fusion

La configuration Tokamak Combinaison de champs magnétiques Topologie magnétique : Surfaces magnétiques emboitées Lignes de champ hélicoïdales Tore Supra toroïdale poloïdale radiale Courant plasma

Architecture d’un plasma de fusion Scrape Off Layer : Lignes de champ ouvertes Centre du plasma : zone de réaction Limiteur : composant face au plasma (CFP) r/a 1 nT bord Gradients : diffusion, convection Pollution espèces Z>1 (impuretés) DSMF : Dernière surface magnétique fermée Tore supra : Bobines supra conductrices (temps longs) CFPs activement refroidis Limiteur Pompé toroïdal

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Rayonnement du plasma Réactifs : Z=1 Atomes légers H, D Ionisés à basse (~10eV) température -Zones ‘froides’ type SOL Impuretés : Z≠1 -Atomes plus lourds -Ionisés à plus haute température (~keV) Intrinsèques: CFPs (C, W, Be …) Paroi, antennes (Cu, Fe …) Vide résiduel : O Ionisation L’étude du rayonnement au bord du plasma peut aider à la compréhension des phénomènes de production d’impuretés Comment caractériser les sources, et quelle évolution à forte densité, avec de fortes puissances injectées ?

Espace opérationnel d’un tokamak Les tokamaks n’opèrent pas avec des paramètres plasma arbitraires Il existe une densité limite  Définition d’un espace opérationnel Peut-on contrôler l’apparition de tels types d’instabilités et repousser la limite en densité?

Bilan de puissance Pinj = Pcond + Prad Puissance injectée Puissance ohmique (résistivité du plasma) Puissance injectée Puissance additionnelle Chauffage par ondes Rayonnement Puissance conduite aux composants face au plasma Pinj = Pcond + Prad Contrôle du rayonnement  Bord : minimisation des flux de chaleurs à la paroi Centre : Maximisation de la puissance Peut-on contrôler le dépôt de flux en injectant des impuretés sans affecter le cœur?

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Rayonnement du plasma : diagnostics Spectroscopie : Etude individuelle des impuretés ionisées UV (1-30nm) Visible (400-800nm) Bolométrie : Puissance rayonnée 0,2 à 200 nm Mesure de la puissance rayonnée totale visible Bolométrie UV

Caractérisation des sources : loi d’échelle d’érosion du carbone 1 2 4 3 Dα CII Instrumentation : Imagerie monochromatique calibrée en absolue (par spectroscopie visible) Modélisation : EIRENE (code monte carlo 3D) + coefficients ADAS Calcul des coefficients (S/XB) Г= (S/XB) x Ф [K.Berhinger, 1989] ? Г(C/s)= 5.1020 x Pcond (MW) Y. Marandet, R. Dachicourt et al. Perspectives : Evolution de l’érosion à très forte puissance ?  Expériences 2011

Espace opérationnel d’un tokamak : densité limite Expériences densité limite : Limite en densité empirique : limite de Greenwald  Déclenchement d’instabilités radiatives Lien avec le rayonnement : Changement de régime de la puissance rayonnée Prad/Ptot ? ne/nG

Espace opérationnel d’un tokamak : densité limite Caractérisation du changement de régime de Prad Augmentation sur le LPT Corrélée avec augmentation du CII (ou C+, visible) 1 2 Déplacement côté interne du rayonnement Corrélée avec le signal CIV (ou C3+, UV) visible UV 1 2 t(s) 1 u.a CII Prad 2 t(s) u.a Prad CIV Perspectives : A quoi est due l’augmentation de la brillance du carbone ? Analyse ‘statistique’ de l’apparition de ces instabilités ?  Expériences 2011

Injection d’impureté JET : sélection d’un ‘sensor’ Topologie magnétique à point X Injection d’impuretés pour réduire Pcond Choix de l’impureté injectée Etude du rayonnement Mesure de la diminution du flux de chaleur Choix du diagnostic de suivi Comprendre le lien entre l’injection et la diminution du flux de chaleur Pinj = Pcond + Prad

Injection d’impuretés JET : sélection d’un ‘sensor’ Choix du signal représentatif de la diminution du flux de chaleur Bolométrie KB5H Réduction du flux de chaleur W/m² Augmentation de la puissance rayonnée (W/m²)

Injection d’impuretés JET NIV NII Spectroscopie de l’azote Réduction du flux de chaleur W/m² NIV NII Perspectives : différences entre diagnostics : i.e étude détaillée du rayonnement des impuretés dans Jet  Expériences à JET 2011 Augmentation de la brillance des raies spectrales

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Conclusion et perspectives Caractérisation des sources : loi d’échelle Travail instrumental Analyse de la densité limite : Exploration du domaine opérationnel, analyse du rayonnement Analyse du basculement du rayonnement côté interne Rayonnement des impuretés : Lien entre injection et diminution du flux de chaleur Diagnostics dans JET Expériences campagne 2011: Complétion de la loi d’échelle Analyse détaillée rayonnement vers la densité limite Expériences à JET : Rayonnement des impuretés injectées