Champ électrique radial dans les plasmas de tokamak non axi

Champ ´electrique radial dans les plasmas de tokamak
non axi-sym´etrique: ´etude par r´eflectom´etrie Doppler
Elis´ee Trier
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Elis´ee Trier. Champ ´electrique radial dans les plasmas de tokamak non axi-sym´etrique: ´etude
par r´eflectom´etrie Doppler. Physique des plasmas [physics.plasm-ph]. Ecole Polytechnique X,
2010. Fran¸cais. <pastel-00568184>
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Submitted on 22 Feb 2011
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Th` ese pr´ esent´ ee pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’ ´ ECOLE POLYTECHNIQUE
Sp´ ecialit´ e :
Physique des plasmas
par
Elis´ ee TRIER
CHAMP ´ ELECTRIQUE RADIAL DANS LES PLASMAS DE
TOKAMAK NON AXI-SYM ´ ETRIQUE, ´ ETUDE PAR
R´ EFLECTOM ´ ETRIE DOPPLER
Soutenue le 7 juin 2010 devant le jury compos´ e de :
Mme Pascale HENNEQUIN
Directrice de th` ese, Directeur de Recherche, CNRS
M. Ulrich STROTH
Professeur, Universit´ e de Stuttgart (Rapporteur)
M. Henri WEISEN
Adjoint Scientifique, EPFL Lausanne (Rapporteur)
M. Xavier GARBET
Directeur de recherche, CEA
M. Emmanuel ROSENCHER
Professeur, ´ Ecole Polytechnique

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Table des matières
1 Généralités sur les tokamaks 17
1.1 Principe du tokamak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2 Quelques aspects du déroulement d’une expérience de tokamak . . . . . . . . 21
1.3 Equilibre et coordonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4 Transport et régimes de confinement améliorés . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 Cadre de l’étude du champ électrique radial 33
2.1 L’équation de dérive cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1 Vitesses de dérives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2 Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.3 Equation de dérive cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Transport néoclassique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.1 Particules piégées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 Régimes de transport dans un tokamak axisymétrique . . . . . . . . . 41
2.3 Champ électrique radial et rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1 Equation d’évolution du champ électrique radial . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 Rotation toroidale et poloidale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.3 Sources de flux de particules non-ambipolaires . . . . . . . . . . . . . 48
2.4 Quelques résultats expérimentaux sur la rotation . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.1 Ecoulements dans la SOL, asymétries de transport et conditions aux
limites sur la rotation du coeur : Alcator C-Mod . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2 Effet du ripple sur la rotation toroïdale : JET . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.3 Observation d’un “spin-up” de la rotation poloïdale sur JET, influence
du ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.4 Inversion du sens de rotation toroïdale avec la densité : TCV . . . . 54
3 Le tokamak Tore Supra, diagnostics et méthodes 57
3.1 Caractéristiques générales de Tore Supra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
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3.2 Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3 Quelques méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 La réflectométrie Doppler 69
4.1 Principe de la réflectométrie Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.1 Diffusion collective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2 Réflectométrie Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Caractéristiques du diagnostic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Analyse des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.1 Tracé de faisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.2 Détermination des propriétés du spectre [Hennequin 06] . . . . . . . . 82
4.3.3 Accessibilité et volume de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 Flux de particules et champ électrique radial induits par le ripple 91
5.1 Minima locaux du champ magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2 Flux de particules localement piégées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.1 Calcul des flux de particules localement piégées . . . . . . . . . . . . 95
5.2.2 Prise en compte de la dérive E×B. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3 Le régime de transport ripple-plateau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4 Récapitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4.1 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4.2 Adaptation au cas d’un ripple poloïdalement asymétrique . . . . . . . 111
6 Etude de l’influence du ripple sur le champ électrique radial de Tore Supra115
6.1 Conditions plasmas et mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.1.1 Base de données de la série “r/a=0.6” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.1.1.1 Evaluation de la valeur expérimentale prédite de la vitesse
E×Bdue au ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.1.1.2 Mesures par réflectométrie Doppler et exemples de comparaison119
6.1.2 Expériences dédiées “scan ripple” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.1.2.1 Conditions plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.1.2.2 Mesures de vitesse perpendiculaire . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2 Comparaison des prédictions avec les mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.1 Possibles sources de biais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.1.1 Particules rapides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.1.2 Température électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
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