Les performances des plasmas de fusion confinés magnétiquement peuvent être dégradées par l'accumulation d'impuretés. Plus particulièrement, les impuretés lourdes accumulées au centre du plasma diluent les réactifs, et peuvent aussi conduire à un collapse radiatif du plasma par de fortes pertes par rayonnement. La compréhension du transport des impuretés lourdes produites lors de l'interaction plasma-paroi est donc devenue cruciale.Le coeur du plasma est sujet à une instabilité magnétohydrodynamique (MHD) appelée ‘kink interne’, conduisant à des oscillations de relaxation nommées ‘dents de scie’. Les dents de scie entraînent une relaxation périodique de densité et de température dans le coeur du plasma, et affectent significativement le transport radial. Notamment, les particules et la chaleur sont redistribuées pendant un crash dont la durée est très courte par rapport au temps de confinement.En l'absence des instabilités MHD, le transport des impuretés est porté par les collisions (transport néoclassique) et la turbulence. Il est établi que le transport néoclassique est important pour les impuretés lourdes dans la région centrale du plasma de tokamak. Cependant, des mesures expérimentales du tokamak ASDEX-Upgrade montrent que la dynamique des impuretés en présence des dents de scie est différente des prédictions faites par les codes de transport.Dans cette thèse, l'outil numérique utilisé pour simuler les dents de scie est le code XTOR-2F, qui est un code non-linéaire tridimensionnel résolvant les équations de la MHD. Les équations fluides modélisant le transport des impuretés dans un régime de collisionalité élevée (Pfirsch-Schlüter) ont été implémentées et couplées avec l'ensemble des équations de la MHD bi-fluide.Les simulations montrent que les profils de densité d'impuretés sont affectés par les dents de scie, en accord avec les observations expérimentales. Ceci résulte d'une compétition entre processus néoclassiques et relaxations dues aux dents de scie. / Impurity accumulation can degrade the performance of magnetically confined fusion plasmas. In particular, heavy impurities accumulated in the core plasma dilute fusion reactants and may also lead to a radiative collapse of the plasma due to excessive cooling by radiation. Therefore, understanding the transport of heavy impurities produced by plasma-wall interaction has become a subject of utmost importance.The plasma core is likely to be affected by a magnetohydrodynamic (MHD) instability called 'internal kink' that induces relaxation oscillations named 'sawteeth'. Sawteeth are responsible for periodic relaxations of the core density and temperature and affect significantly the radial transport. Especially, particles and heat are redistributed during the crash phase the duration of which is short compared to the confinement time.In absence of MHD instabilities, impurity transport is governed by collisions (neoclassical transport) and turbulence. It is shown that neoclassical transport is important for heavy impurities in the core region of tokamak plasmas. Meanwhile, experimental measurements in the ASDEX-Upgrade tokamak show that the impurity dynamics in presence of sawteeth differs from the predictions made by transport codes.In this thesis, the numerical tool used to simulate sawteeth is the XTOR-2F code, which is a non-linear tridimensional code solving MHD equations. Fluid equations that model the transport of impurities in a highly collisional (Pfirsch-Schlüter) regime have been implemented and coupled to the set of two-fluid MHD equations.The simulations show a difference between the impurity profiles with and without sawteeth, which is consistent with experimental observations. This results from a competition between neoclassical processes and sawtooth relaxations.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第25394号 / エネ博第473号 / 新制||エネ||88(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 石澤 明宏, 教授 中村 祐司, 教授 稲垣 滋 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

The Wide-View Charge Exchange Recombination Spectroscopy (CXRS) diagnostic at Alcator C-Mod, originally designed for measurement of boron, has been modified to fit several different roles. By measuring the He¹⁺ (n = 4 [rightwards arrow] 3) emission line at 4686Å and surrounding spectra, we can measure ⁴He and ³He density, temperature, and velocity profiles and use this information to study turbulent impurity transport. The transport is characterized using a standard ansatz for the radial particle flux: [mathematical equation]. This effort is designated He CXRS. Also, direct measurement of ³He are used to test models of Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH). We look for evidence of fast ion production and the effect of the minority ion profile on fast wave heating. Several modifications were made to the hardware. Light is collected via two optical arrays: poloidal and toroidal. The toroidal array has been upgraded to increase throughput and spatial resolution, increasing the number of toroidal channels from 10 to 22. A new protective shroud was installed on the poloidal array. Additional diagnostics (a 11 channel beam duct view, neutralizer view, duct pressure monitor) were added to the Diagnostic Neutral Beam to improve DNB modeling for CXRS. This work includes investigation of plasmas where helium is at low concentration (<1%), acting passively, as well as scenarios with a large fraction (>~20%). Using the STRAHL code, time-dependent helium density profiles are used to obtain anomalous transport parameters. Thermodiffusion and curvature pinch terms are also estimated from experimental scaling studies. Results are compared with neoclassical results from the NCLASS code and calculations by the GENE gyrokinetic code. Another focus is verification of power deposition models which are crucially dependent on minority ion density, for which ³He is used. At low ³He fraction, direct absorption by ³He generates fast ions with anisotropic velocity-space distribution functions. At high ³He fraction, mode conversion heating of electrons is dominant. The minority distribution function and predicted wave deposition are simulated using AORSA and CQL3D. This work provides the first measurements of helium transport on C-Mod and expands our understanding of helium transport and fast wave heating. / text

La consommation mondiale d'énergie a fortement augmenté durant le siècle dernier et va continuer de croître au cours des prochaines décennies. Le développement d'énergies durables et alternatives aux énergies fossiles constitue un enjeu crucial pour les générations futures. Dans ce contexte, la fusion thermonucléaire contrôlée serait un candidat de premier choix pour assurer la transition énergétique. Le tokamak, basé sur la fusion par confinement magnétique, est actuellement la solution la plus en vue pour contrôler la réaction de fusion et utiliser cette énergie à des fins civiles.Dans les plasmas de tokamak, les impuretés lourdes comme le tungstène présent dans les éléments de la paroi face au plasma, peuvent migrer vers le plasma de cœur et fortement dégrader les performances fusion par rayonnement. L’objectif de cette thèse est d’utiliser ce rayonnement dans la gamme des X-mous afin d’en déduire des informations sur le transport du tungstène dans le plasma de cœur. Le but est de contrôler à terme cette concentration en impuretés et d’identifier les actuateurs pouvant agir sur cette distribution. / Global energy consumption has increased significantly during the last century and will continue to grow in the coming decades. The development of sustainable energies alternative to fossil fuels is a crucial issue for the future generations. In this context, controlled thermonuclear fusion is a good candidate for the energy transition. Magnetic confinement fusion and tokamaks are currently the most promising solution to control the fusion reaction and use it for civil purposes.In tokamak plasmas, heavy impurities such as tungsten sputtered from plasma-facing components can migrate to the core plasma and strongly degrade fusion performance by radiation. The goal of this PhD thesis is to use this radiation in the soft X-ray range in order to obtain valuable information on tungsten transport in the core plasma. The final perspective is to control the impurity concentration and identify actuators that can act on this distribution.

Cette thèse est centrée sur la mesure et l'interprétation du rayonnement X mou ([1 keV; 15 keV] environ) dans les Tokamaks. Le chapitre 2 montre que ce rayonnement véhicule des informations sur la température et la densité du plasma, sur sa configuration magnétique, et sur son contenu en impuretés. Malheureusement les mesures effectuées sont intégrées spatialement et spectralement et résultent des contributions de tous les ions présents.Le diagnostic X mou de Tore Supra s'articule autour de diodes semi-conductrices présentée dans le chapitre 3 aux côté d'un détecteur à gaz testé avec succès. Une nouvelle méthode de détermination de la réponse spectrale d'un photodétecteur n'utilisant qu'un tube X mou portable est également décrite.Les inversions tomographiques, qui permettent d'accéder au champ d'émissivité reconstruit dans une section poloidale, font l'objet du chapitre 4. Les améliorations apportées à un algorithme particulier sont détaillées.Une comparaison systématique entre les positions horizontales du maximum d'émissivité et de l'axe magnétique est présentée au chapitre 5.Le chapitre 6 décrit une hypothèse concernant la résilience de la fonction de rayonnement X mou d'une impureté vis-à-vis du transport de cette impureté. Cette hypothèse permet de déduire la densité d'une impureté de son émissivité X mou. Les processus physiques justifiant cette hypothèse, ainsi que leur domaine de validité sont analysés avec soin.Le chapitre 7 présente les asymétries poloidales d'émissivité X mou. Les premiers résultats d'expériences mises en oeuvres à ASDEX-U pour vérifier les dépendences paramétriques de deux types particuliers d'asymétries sont détaillés. / This thesis focuses on measuring and interpreting the Soft X-Ray (SXR) radiation (approximately [1 keV; 15 keV]) in Tokamaks.As explained in Chapter 2, this radiation conveys information about the plasma density, temperature, magnetic equilibrium and impurity content. However, the measured data is spectrally and spatially-integrated and results from several physical phenomena affecting every ion species. Tore Supra's SXR diagnostics is based on semiconductor diodes presented in Chapter 3, along with a new gas detector successfully tested in laboratory and on Tore Supra. A new methodology for absolute spectral characterisation of photo detectors using a portable SXR tube is presented. Tomographic inversion algorithms, that grant access to reconstructions of the SXR emissivity field in a poloidal cross-section, are presented in Chapter 4. Improvements implemented on one particular algorithm are detailed with examples of application. A comparison between the position of the SXR emissivity maximum and the magnetic axis reconstructed by an equilibrium code is presented in Chapter 5.Chapter 6 presents an approach used to derive an impurity density from its SXR emissivity using the robustness of its SXR cooling factor with respect to impurity transport. The physics accounting for this robustness is studied and a first map of the domain of validity of this method is provided. Chapter 7 addresses poloidal asymmetries of the SXR emissivity field. Two types of asymmetries are presented as well as experiments conducted on ASDEX-U to verify their parametric dependences. A new type of SXR asymmetry, observed on Tore Supra is introduced.