Modélisation de l`interaction des antennes de chauffage avec le

SOMMAIRE
Introduction générale ............................................................................................................. 1
CHAPITRE I : Généralités sur le chauffage du plasma dans le projet ITER ............ 7
I. Introduction ......................................................................................................................... 9
II. Historique : ........................................................................................................................ 10
III. Fonctionnement d’un réacteur thermonucléaire de type Tokamak : ................................. 11
III.1. Description générale: .................................................................................... 11
III.2. Réactions nucléaires : ................................................................................... 11
III.3. Définition du plasma de fusion : .................................................................. 12
III.4. Confinement magnétique du plasma [3] : .................................................... 13
III.4.a. Introduction : .......................................................................................... 13
III.4.b. Structure d’un Tokamak [7][9] .............................................................. 13
III.4.c. Champs magnétique dans le plasma : .................................................... 14
III.5. Chauffage du plasma dans le réacteur Tore Supra [8] ................................. 15
III.6. Chauffage par ondes radiofréquences et génération du courant: ................. 17
III.6.a. Introduction : .......................................................................................... 17
III.6.b. Différentes gammes de fréquences de chauffage [8][9] ........................ 17
III.6.c. Génération du courant [11][12][13] ....................................................... 19
IV. Description du système FHB : .......................................................................................... 19
IV.1. Introduction : ................................................................................................ 19
IV.2. Description de l’onde hybride basse : .......................................................... 20
IV.3. Interaction onde hybride basse – plasma [4] ................................................ 21
IV.4. Système de génération d’onde hybride basse [8] ......................................... 23
IV.4.a. Les générateurs : .................................................................................... 23
IV.4.b. Les lignes de transmissions : .................................................................. 24

IV.4.c. Les antennes [18][19][20] ...................................................................... 24
IV.5. Caractéristiques électromagnétiques des guides d’ondes rectangulaires : ... 28
IV.5.a. Propriétés générales : ............................................................................. 28
IV.5.b. Etude des modes TE ............................................................................... 29
V. Propriétés intrinsèques du plasma dans un Tokamak : ..................................................... 32
V.1. Introduction : ................................................................................................ 32
V.2. Caractéristiques du plasma de fusion : ......................................................... 33
V.2.a. Anisotropie : ........................................................................................... 33
V.2.b. Inhomogénéité : ...................................................................................... 36
VI. Contexte et problématique : .............................................................................................. 38
VI.1. Contexte : ..................................................................................................... 38
VI.2. Problématique : ............................................................................................ 38
CHAPITRE II : Validation d’un outil de simulation « Full wave » pour étudier
les milieux plasmas anisotropes inhomogènes .......................... 41
I. Introduction : ..................................................................................................................... 43
II. Modélisation d’un milieu plasma anisotrope inhomogène : ............................................. 44
II.1. Introduction : ................................................................................................ 44
II.2. Modélisation: ................................................................................................ 45
II.2.a. Caractéristiques du plasma dans le tokamak: ........................................ 45
II.2.b. Modèles électromagnétiques utilisés dans le simulateur ....................... 47
II.2.c. Implantation des modèles dans CST MW .............................................. 50
III. Modélisation d’un module d’antenne : ............................................................................. 51
III.1. Introduction : ................................................................................................ 51
III.2. Caractéristiques électromagnétiques de l’antenne et du champ rayonné : ... 52
III.2.a. Rayonnement électromagnétique : ......................................................... 52
III.2.b. Déphasage et critère de rayonnement optimal ....................................... 54
III.2.c. Déphasage optimal ................................................................................. 56

III.3. Répartiteur de puissance électromagnétique ................................................ 58
III.3.a. Présentation générale : ........................................................................... 58
III.3.b. Simulation électromagnétique du déphaseur à guide d’onde ................. 60
IV. Simulation de l’interaction antenne-plasma avec le logiciel électromagnétique CST MW :
.............................................................................................................................. 62
IV.1. Vue globale de la structure : ......................................................................... 62
IV.2. Milieu plasma à faible densité de bord et fort gradient : .............................. 64
IV.2.a. Introduction : .......................................................................................... 64
IV.2.b. Distribution du champ électrique et adaptation de l’antenne ................. 66
IV.3. Influence de la dimension du milieu plasma ................................................ 68
IV.3.a. Etude des dimensions optimales du volume de plasma ......................... 69
IV.3.b. Influence de la modélisation du plasma inhomogène par des strates de
plasma homogène ................................................................................................ 71
IV.3.c. Influence des pertes diélectriques du plasma sur la réponse de l’antenne .
................................................................................................................ 72
IV.3.d. Influence du pas de discrétisation numérique ........................................ 73
IV.3.e. Influence du gap d’air sur l’interaction antenne plasma ........................ 74
IV.3.f. Coefficients de réflexion en fonction du déphasage des guides ............ 75
IV.3.g. Spectre de puissance calculé par les champs EM dans le plasma A1 .... 76
IV.4. Milieu plasma à forte densité de bord et faible gradient : ............................ 78
IV.4.a. Introduction : .......................................................................................... 78
IV.4.b. Distribution du champ électrique et adaptation de l’antenne ................. 79
IV.4.c. Coefficients de réflexion en fonction du déphasage des guides ............ 80
IV.4.d. Spectre de puissance calculé par les champs EM dans le plasma A2 : .. 80
IV.5. Influence d’une augmentation du nombre de guides ................................... 82
IV.5.a. Milieu plasma « A1 » (ne0 = 2x1017m-3 ; ∆ne = 1x1020m-4) : ................ 82
IV.5.b. Milieu plasma « A2 » (ne0 = 6.5x1017m-3 ; ∆ne = 0.325x1020m-4) ........ 84
V. Conclusion: ....................................................................................................................... 86

CHAPITRE III : Interaction électromagnétique de l’antenne avec des milieux
homogènes isotropes et anisotropes .......................................... 87
I. Introduction : ..................................................................................................................... 89
II. Etude de l’impact d’une homogénéisation des propriétés intrinsèques du plasma
anisotrope .......................................................................................................................... 90
II.1. Introduction au calcul des lois de propagation ............................................. 90
II.1.a. Formulation ............................................................................................ 90
II.1.b. Caractéristiques intrinsèques des milieux testés .................................... 91
II.2. Simulation de l’interaction de la grille d’antenne avec le milieu diélectrique
homogène anisotrope caractérisé par {ε’xx = -3, ε’yy = ε’zz = 1} .................. 93
II.2.a. Simulation « Full Wave » ...................................................................... 94
II.2.b. Interprétation .......................................................................................... 95
II.3. Simulation de l’interaction de la grille d’antenne avec le milieu diélectrique
homogène anisotrope caractérisé par {ε’xx = -6, ε’yy = ε’zz = 1} ................... 99
II.3.a. Simulation « Full wave » ....................................................................... 99
II.3.b. Interprétation ........................................................................................ 100
II.4. Simulation de l’interaction de la grille d’antenne avec le milieu diélectrique
homogène anisotrope caractérisé par {ε’xx = -10, ε’yy = ε’zz = 1} ............... 101
II.4.a. Simulation « Full wave » ..................................................................... 101
II.4.b. Interprétation ........................................................................................ 102
II.5. Simulation de l’interaction de la grille d’antenne avec le milieu diélectrique
homogène anisotrope caractérisé par {ε’xx = -20, ε’yy = ε’zz = 1} ............... 103
II.5.a. Simulation « Full wave » ..................................................................... 103
II.5.b. Interprétation ........................................................................................ 104
II.6. Récapitulatif des études : ............................................................................ 105
II.7. Interaction de l’antenne complète avec les quatre matériaux..................... 107
II.8. Fiabilité du modèle de plasma homogène .................................................. 108
II.9. Comparaison des plasmas homogènes et inhomogènes ............................. 108