Cette thèse concerne l'étude de la production de faisceaux d'ions radioactifs par la méthode ISOL pour le projet SPIRAL 2. La production de faisceaux légers est tout d'abord considérée. Les taux de production potentiels de deux faisceaux sont évalués : la production de 15C (riche en neutrons) dans une cible d'oxyde est estimée à l'aide de simulations (MCNPx, EAF-07) et de données expérimentales ; le taux de production d'14O (déficient en neutrons) est estimé par une nouvelle mesure de la fonction d'excitation de la réaction 12C(3He,n)14O. Une première conception de la cible de production basée sur des simulations thermiques est présentée. Cette étude apporte les réponses nécessaires à la conception détaillée d'un système qui permettrait d'atteindre un taux de production 140 fois plus élevé qu'avec SPIRAL 1. La production des faisceaux d'ions radioactifs issus de fissions dans une cible d'UCx est aussi étudiée, et plus particulièrement les processus d'effusion et d'ionisation. Une étude de principe et une campagne de tests hors ligne ont permis d'acquérir des connaissances indispensables à la conception de la source à ionisation de surface de SPIRAL 2. Un premier prototype de cette source dédiée à la production d'éléments alcalins et alcalino-terreux a été réalisé et une calibration thermique a été effectuée. Les efficacités d'ionisation et de temps de réponse sur l'ensemble cible source ECR ont été mesurées à différentes températures de la cible et pour différents gaz nobles. Ces mesures ont permis d'estimer l'impact des processus d'effusion et d'ionisation sur l'efficacité de production de différents isotopes d'alcalins et de gaz nobles en fonction de leur durée de vie.

When an electrically conducting fluid moves through a magnetic field, fluid mechanics and electromagnetism are coupled.<p>This interaction is the object of magnetohydrodynamics, a discipline which covers a wide range of applications, from electromagnetic processing to plasma- and astro-physics.<p><p>In this dissertation, the attention is restricted to turbulent liquid metal flows, typically encountered in steel and aluminium industries. Velocity measurements in such flows are extremely challenging because liquid metals are opaque, hot and often corrosive. Therefore, non-intrusive measurement devices are essential. One of them is the Lorentz force flowmeter. Its working principle is based on the generation of a force acting on a charge, which moves in a magnetic field. Recent studies have demonstrated that this technique can measure efficiently the mean velocity of a liquid metal. In the existing devices, however, the measurement depends on the electrical conductivity of the fluid. <p><p>In this work, a novel version of this technique is developed in order to obtain measurements that are independent of the electrical conductivity. This is particularly appealing for metallurgical applications, where the conductivity often fluctuates in time and space. The study is entirely numerical and uses a flexible computational method, suitable for industrial flows. In this framework, the cost of numerical simulations increases drastically with the level of turbulence and the geometry complexity. Therefore, the simulations are commonly unresolved. Large eddy simulations are then very promising, since they introduce a subgrid model to mimic the dynamics of the unresolved turbulent eddies. <p><p>The first part of this dissertation focuses on the quality and reliability of unresolved numerical simulations. The attention is drawn on the ambiguity that may arise when interpretating the results. Owing to coarse resolutions, numerical errors affect the performances of the discrete model, which in turn looses its physical meaning. In this work, a novel implementation of the turbulent strain rate appearing in the models is proposed. As opposed to its usual discretisation, the present strain rate is in accordance with the discrete equations of motion. Two types of flow are considered: decaying turbulence located far from boundaries, and turbulent flows between two parallel and infinite walls. Particular attention is given to the balance of resolved kinetic energy, in order to assess the role of the model.<p><p>The second part of this dissertation deals with a novel version of Lorentz force flowmeters, consisting in one or two coils placed around a circular pipe. The forces acting on each coil are recorded in time as the liquid metal flows through the pipe. It is highlighted that the auto- or cross-correlation of these forces can be used to determine the flowrate. The reliability of the flowmeter is first investigated with a synthetic velocity profile associated to a single vortex ring, which is convected at a constant speed. This configuration is similar to the movement of a solid rod and enables a simple analysis of the flowmeter. Then, the flowmeter is applied to a realistic three-dimensional turbulent flow. In both cases, the influence of the geometrical parameters of the coils is systematically assessed. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis we mainly focus on the study of the turbulent transport of impurity particles in the plasma due to the electrostatic drift wave microinstabilities. In a fusion reactor, the helium produced as a result of the fusion process is an internal source of impurity. Moreover, impurities are released from the material surfaces surrounding the plasma by a variety of processes: by radiation from plasma, or as a result of sputtering, arcing and evaporation. Impurities in tokamak plasmas introduce a variety of problems. The most immediate effect is the radiated power loss (radiative cooling). Another effect is that the impurity ions produce many electrons and in view of the operating limits on density and pressure, this has the effect of replacing fuel ions. For example, at a given electron density, $n_{e}$, each fully ionized carbon ion (used in the wall materials in the form of graphite) replaces six fuel ions, so that a 7\\% concentration of fully ionized carbon in the plasma core, would reduce the fusion power to one half of the value in a pure plasma. Therefore, for all tokamaks it become an immediate and continuing task to reduce impurities to acceptably low concentrations. However, the presence of impurities, with control, can be beneficial for the plasma performance and reduction of strong plasma heat loads on the plasma facing walls. The radiative cooling effect which was mentioned above can be used at the edge of the plasma in order to distribute the plasma heat more evenly on the whole surface of the vessel walls and therefore, reduce significantly plasma heat bursts on the small regions on the divertor or limiter tiles. The experiments at TEXTOR show that the presence of the impurities at the plasma edge can also improve the performance and reduce the turbulent transport across the magnetic field lines. The observed behavior was explained trough the proposed mechanism of suppression of the most important plasma drift wave microinstability in this region, namely, the Ion Temperature Gradient mode (ITG mode) by the impurities. The impurity's positive impact on the plasma performance offered a possibility to better harness the fusion power, however, it is vital for a fusion reactor to have feedback controls in order to keep impurities at the plasma edge and limit their accumulation in the plasma core where the fusion reactions are happening. In order to have control over the impurity transport we first need to understand different mechanisms responsible for its transport. <p><p>One of the least understood areas of the impurity transport and indeed any plasma particle or heat transport in general, is the turbulent transport. Extensive efforts of the fusion plasma community are focused on the subject of turbulent transport. Motivated by the fact that impurity transport is an important issue for the whole community and it is an area which needs fundamental research, we focused our attention on the development of turbulent transport models for impurities and their examination against experiments. In a collaboration effort together with colleagues (theoreticians as well as experimentalist) from different research institutes, we tried to find, through our models, physical mechanisms responsible for experimental observations. Although our main focus in this thesis has been on the impurity transport, we also tried a fresh challenge, and started looking at the problem of drift wave turbulent transport in a different framework all together. Experimental observation of the edge turbulence in the fusion devices show that in the Scrape of Layer (SOL: the layer between last closed magnetic surface and machine walls) plasma is characterized with non-Gaussian statistics and non-Maxwellian Probability Distribution Function (PDF). It has been recognized that the nature of cross-field transport trough the SOL is dominated by turbulence with a significant ballistic or non-local component and it is not simply a diffusive process. There are studies of the SOL turbulent transport using the 2-D fluid descriptions or based on probabilistic models using the Levy statistics (fractional derivatives in space). However, these models are base on the fluid assumptions which is in contradiction with the non-Maxwellian plasmas observed. Therefore, we tried to make a more fundamental study by looking at the effect of the non-Maxwellian plasma on the turbulent transport using a gyro-kinetic formalism. We considered the application of fractional kinetics to plasma physics. This approach, classical indeed, is new in its application. Our aim was to study the effects of a non-Gaussian statistics on the characteristic of the drift waves in fusion plasmas.<p><p>Ce travail de thèse porte sur le transport turbulent d'impuretés dans les plasmas de fusion<p>par confinement magnétique. C'est une question de la plus haute importance pour le développement<p>de la fusion comme source d'énergie. En effet, une accumulation d'impuretés au coeur<p>du plasma impliquerait des pertes d'énergie par radiation, conduisant par refroidissement à<p>l'extinction des réactions de fusion. Il est par contre prévu d'injecter des impuretés dans le<p>bord du plasma, afin d'extraire la chaleur par rayonnement sans endommager les éléments de<p>la première paroi. Ces contraintes contradictoires nécessitent un contrôle précis du transport<p>d'impuretés, afin de minimiser la concentration d'impuretés au coeur du plasma tout en la<p>maximisant au bord. Une très bonne connaissance de la physique sous-jacente au transport<p>est donc indispensable. L'effet de la turbulence, principal mécanisme de transport, sur les impuretés<p>est alors une question centrale. Dans cette thèse, un code numérique, AFC-FL, a été développé sur la base d'une approche ``fluide' linéaire pour la turbulence d'ondes de dérive. Il calcule les taux de croissance qui caractérisent la rapidité de l'amorçage des instabilités. L'analyse de stabilité est complétée par l'évaluation des taux de croissance en présence d'un gradient de densité, un cisaillement magnétique ou un nombre arbitraire de différentes espèces d'impureté. Les formules complètes du flux turbulent d'impuretés pour ces taux de croissance calculés des instabilités des ondes de dérive ont été dérivées. Un modèle de transport anormal qui nous permet d'étudier la dépendence du transport en fonction de la charge d'impureté a été développé. Ce modèle prend en compte les effets collisionnels entre les ions, l'impureté et les particules principales de plasma. Une telle dépendence du transport anormal en fonction de la charge de l'impureté est observée dans les expériences et il a été montré que les résultats obtenus sont en bon accord avec les observations expérimentales. Nous avons également étudié l'effet des impuretés sur le confinement de l'énergie dans les plasmas du tokamak JET. La modélisation de transport a été exécutée pour des plasmas avec injection de néon dans la périphérie du tokamak. Cette technique est utilisée afin d'extraire la chaleur par rayonnement sans endommager la paroi et pour réduire certaines instabilités (ELM). Des simulations du code RITM ont été comparées à des mesures effectuées lors d'expériences au JET. Il a été montré que l'injection de néon mène toujours à une dégradation du confinement par rapport aux décharges sans néon. Cependant, l'augmentation de la charge effective, en raison du presence du néon peut diminuer le taux de croissance d'autres instabilité (ITG) et amèliorer le confinement du coeur du plasma. Ce confinement amélioré du coeur peut alors compenser la dégradation au bord et le confinement global du plasma peut s'améliorer. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thermonuclear fusion has potential to offer an economically, environmentally and socially acceptable supply of energy. A promising reactor design to execute thermonuclear fusion is the toroidal magnetic confinement device, tokamak. The tokamak still faces challenges in the major areas which can be categorised into confinement, heating and fusion technology. This thesis addresses the problem of confinement, in particular the role of transport along magnetic field lines perturbed by diverse MHD instabilities.<p><p>Unstable modes such as ideal ballooning-peeling, tearing etc. break closed magnetic surfaces and destroy the axisymmetry of the magnetic configuration in a tokamak, providing deviation of magnetic field lines from unperturbed magnetic surfaces. Radial gradients of plasma parameters have nonzero projections along such lines and drive parallel particle and heat flows which contribute to the radial transport. Such transport can significantly affect confinement as this takes place by the development of neoclassical tearing modes (NTMs) in the core and edge localised modes (ELMs) at the plasma periphery.<p><p>In this thesis, transport of heat through non-overlapped magnetic island chains is first investigated using the 'Optimal path' approach, which is based on the principal of minimum entropy production. This model shows how the effective heat conduction through islands increases with parallel heat conduction and with the perturbation level. A more standard analytical approach for the limit cases of "small" and "large" islands is also presented. Transport of heat through internally heated magnetic islands is next investigated by further development of the 'Optimal path' method. In addition the approach by R. Fitzpatrick, has been extended for this investigation. By application of these approaches to experimental observations made at TEXTOR tokamak, heat flux limit, limiting parallel heat conduction in low collisional plasmas, is elucidated.<p><p>Models to study transport of heat and particles due to ELMs have also been developed. Energy losses during ELMs have been estimated considering contribution from parallel conduction due to electrons and parallel convection of ions, with constant level of the magnetic field perturbation, steady profiles for density and temperature, and by accounting for the heat flux limit. The estimate shows good agreement with experimental observations. The model is developed further by accounting for the time evolution of the perturbation level due to ballooning mode, and of density and temperature profiles. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la propagation non linéaire, sous forme de filaments laser, d'impulsions laser ultra-courtes dans l'atmosphère. Les résultats, principalement obtenus à partir d'expériences réalisées en laboratoire, apportent des éléments de compréhension clés en lien avec la la projection de filaments laser dans l'air. Trois aspects distincts de la filamentation sont abordés, à savoir l'évolution, le contrôle et les applications de la filamentation laser. Dans la section évolution, un filament unique a été rigoureusement caractérisé sur plusieurs dizaines de mètres. Plusieurs mesures ont été effectuées pour obtenir une image détaillée du phénomène global. En effet, la caractérisation inclut la mesure de la distribution de plasma du filament et l'évolution spectrale des impulsions laser. Également, des canaux de lumière intense, exempte d'ionisation, ont été observés et caractérisés sur plusieurs dizaines de mètres. La section sur le contrôle présente des méthodes qui pourraient éventuellement résoudre plusieurs problèmes liés à la projection de filaments puissants à longue distance. La plupart de ces méthodes se concentrent sur la fusion de filaments multiples afin d'obtenir un plus grand nombre d'électrons libres ou, un plus grand élargissement spectral. Ces méthodes comprennent l'utilisation de masques spéciaux, la diffraction d'une ouverture circulaire et un système d'optique adaptative. Enfin, la troisième partie présente deux applications prometteuses de la filamentation dans l'air. La première est la télédétection de polluants. Plusieurs cibles (gaz, cibles métalliques, nuages de fumée, aérosols, traces d'explosifs) ont été exposées à la radiation des filaments et la fluorescence caractéristique de ces cibles a été recueillie à l'aide de la technique LIDAR. Un système d'optique adaptative a été utilisé pour améliorer de façon significative les signaux de fluorescence émise. La deuxième application discutée est la génération d'impulsions dans l'infrarouge moyen via le mélange à quatre ondes durant la filamentation à deux couleurs. Le développement de nouvelles sources laser dans l'infrarouge moyen est de première importance pour résoudre des problèmes importants pour la défense et la sécurité civile. En utilisant cette méthode, des impulsions à large bande centrées entre 4-7 [Mu]m de longueur d'onde ont été produites.

This work is focused on modelling of atmospheric pressure high frequency (HF) discharges operated at relatively low power densities. Two types of devices are considered – the radio frequency capacitively coupled atmospheric pressure plasma jet and the microwave discharge sustained by surface electromagnetic waves. They are addresses as the plasma shower and the surface-wave discharge (SWD). Both of the considered devices operate in argon at atmospheric pressure (p = 1 bar). However, the difference in the frequency of the power coupling mechanism induces a big difference in plasma properties. This implies also that different modelling approaches have to be employed. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Plusieurs évènements astrophysiques comme les novae, les supernovae de type Ia (SNeIa) et les sursauts X sont le résultat d'une combustion thermonucléaire explosive dans un plasma stellaire. Les supernovae comptent parmi les objets astrophysiques les plus fascinants tant sur le plan théorique que sur celui des observations. Au moment de l'explosion, la luminosité d'une supernova peut égaler celle de l'intégralité des autres étoiles de la galaxie. On admet aujourd’hui que les SNeIa résultent de l'explosion thermonucléaire d'une étoile naine blanche, un objet dense et compact composé de carbone et d'oxygène. Divers chemins évolutifs peuvent conduire à l’explosion de la naine blanche si celle-ci est membre d’un système stellaire binaire. Néanmoins, la nature du système binaire, les mécanismes d'amorçage et de propagation de la combustion thermonucléaire ainsi que le rapport carbone/oxygène au sein de l'étoile compacte ne sont pas encore clairement identifiés à ce jour. En ce qui concerne l’écoulement réactif, on invoque ainsi une détonation (Modèle sub-Chandrasekhar), une déflagration ou la transition d'une déflagration vers une détonation (Modèle Chandrasekhar). La détonation semble donc jouer un rôle prépondérant dans l'explication des SNeIa. <p>Les difficultés de modélisation des détonations proviennent essentiellement (i) de la libération d'énergie en plusieurs étapes, de l’apparition d’échelles de temps et de longueurs caractéristiques très différentes (ii) des inhomogénéités de densité, de température et de composition du milieu dans lequel se propage le front réactif et qui donnent naissance aux structures cellulaires et autres instabilités de propagation du front (extinctions et réamorçages locaux). <p>En plus de celles citées ci-dessus, deux autres difficultés majeures inhérentes à l'étude de ce mode de propagation dans les plasmas stellaires sont rencontrées :la complexité de l’équation d’état astrophysique et la cinétique nucléaire pouvant impliquer plusieurs milliers de nucléides couplés par plusieurs milliers de réactions. Ainsi, les premiers travaux impliquant une combustion thermonucléaire explosive ont été réalisés sur bases d'hypothèses simplificatrices comme l'équilibre nucléaire statistique instantané des produits de réactions ou l'utilisation d'un réseau réduit à une dizaine d'espèces nucléaires. Dans tous ces travaux, la détonation est assimilée à une discontinuité totalement réactive (détonation de Chapman-Jouguet ou CJ). La résolution de l'onde de détonation nécessite l'étude détaillée du processus nucléaire se déroulant dans la zone de réaction. Malheureusement, les supports de calculs actuels ne permettent pas encore ce type de simulations pour les détonations astrophysiques. Le modèle ZND qui constitue une description unidimensionnelle stationnaire de l’écoulement (plan ou courbé) constitue une excellente approximation de la réalité. <p>Notre travail réexamine les résultats des calculs des structures des ondes de détonations stellaires dans les conditions de température, de densité et de composition envisagées dans les travaux de ce type (détonation CJ et ZND) réalisés jusqu’à présent mais avec une équation d’état appropriée aux plasmas stellaires et une cinétique nucléaire nettement plus riche ;le plus grand réseau jamais utilisé pour ce genre d’études (333 noyaux couplés par 3262 réactions), prenant en compte les données les plus récentes de la physique nucléaire (vitesses de réaction et fonctions de partition)./Several astrophysics events like novae, supernovae and X burts, result from an explosive thermonuclear burning in stellar plasma. Type Ia Supernovae (SNeIa) count amoung the most fascinating stellar objects, they can be more brighter than an entire galaxy. Astrophysic works show that SNeIa may result from a thermonuclear explosion of a compact and dense star called carbon-oxygen white dwarf. The ignition stage and the propagation mode of the thermonuclear combustion wave are not identified yet. The Deflagration-to-Detonation Transition process (or "delayed detonation") sims to give the best overall agrements with the observations :detonations can play appart in SNeIa events. <p><p>Simulating thermonuclear detonations count same difficults. The most important are the burning length scales that spent over more than ten oders of magnitud, the nuclear kinetics that involve thousands of nuclids linked by thousands of nuclear reactions and the stellar plasma equation of state (EOS). Hydrodynamical simulations of detonation use very simplified ingedients like reduced reactions network and asymptotic EOS of completely electron degenerate stellar plasma.<p><p>Our work is the modelling of these detonations using more representative EOS of the stallar plasma that includs ions, electrons, radiation and electron-pistron pairs. We also use a more <p>detailed kinetic network, comprising 331 nuclids linked by 3262 capture and photodisintegration reactions, than those usualy employed.<p> <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Turbulent phenomena are found in both natural (e.g. the Earth's oceans, the Sun's corona) and artificial (e.g. flows through pipes, the plasma in a tokamak device) settings; evidence suggests that turbulence is usually the normal behaviour in most cases. Turbulence has been studied extensively for more than a century, but a complete and consistent theoretical description of it has not yet been proposed. It is in this context that the motion of particles under the influence of turbulent fields is studied in this work, with direct numerical simulations. The thesis is structured in three main parts. The first part describes the tools that are used. Methods of integrating particle trajectories are presented, together with a discussion of the properties that these methods should have. The simulation of magnetohydrodynamic (MHD) turbulence is discussed, while also introducing fundamental concepts of fluid turbulence. Particle trajectory integration requires information that is not readily available from simulations of turbulent flows, so the interpolation methods needed to adapt the fluid simulation results are constructed as well. The second part is dedicated to the study of two MHD problems. Simulations of Kolmogorov flow in incompressible MHD are presented and discussed, and also simulations of the dynamo effect in compressible MHD. These two scenarios are chosen because large scale structures are formed spontaneously by the turbulent flow, and there is an interest in studying particle transport in the presence of structures. Studies of particle transport are discussed in the third part. The properties of the overall approach are first analyzed in detail, for stationary predefined fields. Focus is placed on the qualitative properties of the different methods presented. Charged article transport in frozen turbulent fields is then studied. Results concerning transport of particles in fully developed, time-evolving, turbulent fields are presented in the final chapter.<p><p><p>\ / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

A numerical model for inductive plasma wind tunnels is developed. This model provides the flow conditions at the edge of a boundary layer in front of a thermal protection material placed in the plasma jet stream at the outlet of an inductive torch. The governing equations for the hydrodynamic field are derided from the kinetic theory. The electromagnetic field is deduced from the Maxwell equations. The transport properties of partially ionized and unmagnetized plasma in weak thermal nonequilibrium are derived from the Boltzmann equation. A kinetic data base of transport collision integrals is given for the Martian atmosphere. Multicomponent transport algorithms based upon Krylov subspaces are compared to mixture rules in terms of accuracy and computational cost. The composition and thermodynamic properties in local thermodynamic<p>equilibrium are computed from the semi-classical statistical mechanics.<p>The electromagnetic and hydrodynamic fields of an inductive wind tunnel is presented. A total pressure measurement technique is thoroughly investigated by means of numerical simulations.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished