Faculté des sciences de base SB, Section de physique (CRPP Association Euratom CRPP-AE)

Chauffage de plasma par ondes électromagnétiques à la troisième harmonique de la fréquence cyclotron des électrons dans le tokamak TCV

Arnoux, Gilles ; Alberti, Stefano (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3401.

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    Summary
    The Tokamak à Configuration Variable (TCV) programme is based on flexible plasma shaping capabilities together with a powerful electron cyclotron wave (ECW) additional heating for studies of stability, confinement, transport, control and power exhaust. In particular, ECW heating system allows an extended study of the β limit, defined as the ratio between the plasma kinetic pressure and the magnetic pressure, which is attributed to MHD (MagnetoHydroDynamic) instabilities. The ECW heating (ECH) is based on the resonant interaction between the electrons and an electromagnetic (EM) wave in a region of the plasma where the wave frequency is an harmonic of the electron cyclotron frequency. The TCV ECH system is composed of 6 gyrotrons (high power radio frequency sources), at the frequency of 82.7 GHz for second harmonic X-mode heating (X2) and 3 gyrotrons at the frequency of 118 GHz for third harmonic X-mode heating (X3), providing each a nominal power of 0.5 MW. In the moderate magnetic field of TCV (1.45 T), the X2 system is able to heat plasmas up to the X2 cutoff density (4.2 · 1019 m-3) above which the wave cannot propagate. The X3 system extends the accessible density range for ECH up to the X3 cutoff density (11.2 · 1019 m-3) and allows in particular the heating of plasmas in high confinement regime (H mode), most appropriate candidates to reach the β limit. The X2 wave is totally absorbed (plasma optically thick) being launched from the lateral side of TCV and crossing the vertical resonance layer. With this launching configuration, the X2 wave can also be used for non-inductive generation of the plasma current. Since the X3 absorption coefficient is weaker than the X2 absorption coefficient, the X3 wave is injected vertically in order to increase the beam path within the resonance layer, therefore maximizing the X3 optical depth. The present work, based on experiments and simulation, is the first detailed study of the X3 absorption properties in a top-launch configuration. The X3 absorption is shown to mainly depend on the wave injection conditions and the electron temperature. Full single-pass absorption is measured increasing nearly threefold the central electron temperature (1 keV –> 2.7 keV) when 1.35 MW of RF power is injected in low confinement regime plasmas (L-mode) with a central density of 4.0·1019 m-3. Experimental evidences show that a fraction of the power is absorbed on suprathermal electrons generated by the X3 wave itself. An absorption level of 85% is measured increasing threefold the central temperature by injecting 1.35 MW of X3 in H-mode plasmas with a central density of 8.2 · 1019 m-3. A new plasma dynamics is observed for the first time on TCV in these experiments. The X3 absorption is shown to depend strongly on the wave injection angle. In order to maximize the absorption during a plasma discharge by optimizing the injection angle, a real time feedback control has been developed and used. The system is based on the synchronous demodulation technique and uses a PI controller. In order to simulate the X3 wave propagation and absorption, the linear ray-tracing code TORAY-GA is used. These simulations predict an absorption dependence on the temperature and the injection conditions in agreement with the experimental results. Since TORAY-GA does not take into account the diffraction effects on the beam propagation, a comparison with the beam tracing code ECWGB which includes diffraction is discussed. The present results on X3 absorption properties demonstrate the efficiency of the X3 heating system on TCV, therefore extending the β limits study capabilities in elongated plasmas.
    Résumé
    Dans le cadre des recherches menées au Centre de Recherches en Physique des Plasmas (CRPP), le Tokamak à Configuration Variable (TCV) a comme particularité une grande flexibilité dans la forme de ses plasmas. La seconde spécificité de TCV est son système de chauffage électron cyclotron (electron cyclotron heating, ECH) dont la flexibilité d'injection des ondes permet un chauffage localisé. Ces deux particularités permettent d'étudier le confinement de l'énergie, les phénomènes de transport, le contrôle du plasma et les pertes de puissance. TCV et son système ECH permettent en particulier d'étudier la limite de β reliée à l'existence d'instabilités MHD (MagnétoHydroDynamique). Le paramètre β est défini comme le rapport entre la pression cinétique du plasma et la pression magnétique. Le chauffage EC se base sur l'interaction résonante d'une onde électromagnétique avec les électrons dans une région du plasma où la fréquence de l'onde est une harmonique de la fréquence cyclotron des électrons. Le système ECH de TCV est composé de 6 gyrotrons (source radio fréquence haute puissance) à la fréquence de 82.7 GHz pour le chauffage en mode X à la seconde harmonique (X2) et de 3 gyrotrons à la fréquence de 118 GHz pour le chauffage en mode X à la troisième harmonique (X3). Chaque gyrotron délivre une puissance nominale de 0.5 MW pendant 2 s dans TCV, totalisant une puissance RF disponible de 4.5 MW. Le système X2 permet le chauffage de plasmas jusqu'à la densité de coupure X2 (4.2·1019 m-3), au delà de laquelle l'onde ne peut plus se propager. Le système X3 permet d'étendre le domaine de densités accessibles pour l'ECH jusqu'à la densité de coupure X3 qui vaut 11.2 · 1019 m-3. Il permet notamment de chauffer des plasmas qui sont dans un régime de haut confinement de l'énergie (mode H), candidats adéquats pour atteindre des β élevés. Pour le chauffage X2, l'onde peut être injectée latéralement à travers la couche résonante, celle-ci correspondant à une bande verticale. En effet, le coefficient d'absorption X2 est suffisamment élevé pour que la couche résonante soit optiquement épaisse. Cette configuration d'injection permet un chauffage localisé ainsi que la génération de courant de manière non inductive. Le coefficient d'absorption X3 étant beaucoup plus faible que le coefficient d'absorption X2, l'onde est injectée verticalement depuis le haut de TCV pour optimiser le passage de l'onde dans la couche résonante et ainsi maximis é l'épaisseur optique. Dans ce cas, le chauffage est peu localisé. Dans ce travail de thèse, sur la base d'expériences et de simulations, on présente pour la première fois une étude détaillée des propriétés d'absorption de l'onde X3, injectée verticalement dans un plasma magnétisé. Il est mis en évidence par les simulations et l'expérience que l'absorption dépend principalement de la température et des conditions d'injection (angle) de l'onde. Dans des plasmas à bas confinement de l'énergie (mode L) d'une densité au centre de 4 · 1019 m-3 où l'on injecte 1.35 MW de puissance RF, on mesure 100% d'absorption de l'onde X3 et la température des électrons au centre du plasma est presque triplée (1 keV –> 2.7 keV). On mesure dans ce cas qu'une fraction de la puissance absorbée est due aux populations d'électrons supra-thermique générées par l'onde X3 elle-même. Dans des plasmas en mode H d'une densité au centre de 8.2 · 1019 m-3 où l'on injecte 1.35 MW de puissance RF, on mesure 85% d'absorption et la température centrale est triplée. Dans ce cas, le chauffage X3 permet au plasma d'atteindre un régime de fonctionnement du mode H observé pour la première fois sur TCV. Dans ce travail de thèse, on montre que l'absorption X3 est fortement sensible à l'angle d'injection de l'onde et que les conditions optimales d'injection dépendent de la densité et de la température du plasma. Comme ces conditions peuvent varier au cours d'une décharge, on a développé et utilisé un système de contrôle en temps réel avec boucle de contre-réaction sur l'angle d'injection, qui maximise l'absorption. Ce système se base sur une technique de démodulation synchrone et utilise un contrôleur PI. La description détaill ée d'un tel système est présentée et on en démontre expérimentalement le fonctionnement. Les simulations de la propagation et de l'absorption de l'onde X3 sont effectuées avec le code linéaire de tracé de rayon TORAY-GA. Celui-ci prédit de manière cohérente avec les résultats expérimentaux les dépendances de l'absorption en fonction de l'angle d'injection et de la température. Les simulations de TORAY-GA ne tenant pas compte des effets de diffraction, on présente une comparaison avec les résultats du code linéaire de tracé de faisceau ECWGB, qui en tient compte. L'étude détaillée des propriétés d'absorption X3 en injection verticale montre que c'est un système de chauffage efficace sur TCV, qui élargi de manière significative les possibilités d'étude des limites de β dans des plasmas à élongation élevée.