Le centre de production de faisceaux d'isotopes rares situé sur le site de TRIUMF, utilise la méthode de séparation isotopique en ligne (ISAC) pour produire des faisceaux exotiques, c'est-à-dire des faisceaux d'ion hors de la vallée de stabilité. Pour ce faire, ils utilisent un faisceau de protons, provenant du cyclotron principal, d'intensité allant jusqu'à 100 uA et d'une énergie de 500 MeV. Présentement, les faisceaux sont produits soit à l'aide d'une source d'ionisation à surface chaude, d'une source d'ionisation résonante par laser ou d'une FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharged). Malheureusement, ces sources d'ionisation ne sont pas adéquates pour les éléments gazeux. Un nouveau type de source est donc nécessaire. La source ECR (Electron Cyclotron Resonance) peut produire des électrons de haute énergie en superposant une onde électromagnétique haute fréquence à un confinement par champ magnétique. Ces électrons d'haute énergie sont essentiels pour l'ionisation d'éléments gazeux. Les ions sont créés à l'intérieur du plasma lorsque les électrons entre en collision avec les atomes neutres. L'absence d'une cathode chaude près de la cavité d'ionisation, permet à la source ECR de produire un faisceau intense d'éléments de forte électronégativité, tel que l'azote, l'oxygène, le fluor, le soufre, etc. Dans ISAC, le taux élevé de radiation due à la proximité de la cible prévient l'utilisation d'une source ECR conventionnelle. À cette fin, MISTIC (Monocharged Ion Source for TRIUMF and ISAC Complex), une source ECR prototype, a été construit à TRIUMF utilisant un concept similaire d'une source conçue au GANIL. Afin d'obtenir une source résistante aux radiations, des électro-aimants sont préférés à l'utilisation d'aimants permanents pour la production du champ de confinement magnétique. Les tests sur la source sont effectués sur un banc d'essai pourvu des instruments nécessaires à l'évaluation des ses performances. Les tests consistent en des mesures d'efficacité d'ionisation et d'émittance pour différentes configurations des paramètres de la source, tel que la force du champ magnétique, la fréquence des micro-ondes et leur puissance et la composition et la densité du plasma. Une sonde de Langmuir fut aussi utilisée afin de mesurer certains paramètres du plasma. Les résultats des expérimentations sur le prototype vont aider à définir les paramètres de la version en ligne de MISTIC. De plus, un travail extensif a été accompli sur une autre source plasma retrouvée à TRIUMF, la FEBIAD, afin d'améliorer ses performances et sa durabilité. Les résultats des mesures d'efficacité effectuées hors ligne vont servir à comparer les performances entre les deux sources.

La modification de surface par plasma est une technique largement utilisée pour améliorer les propriétés de surface de polymères par le greffage de différents groupes fonctionnels. Dans ce projet de recherche, différentes méthodes pour améliorer les techniques de caractérisation de décharge micro-ondes de N2 et N2-H2 ont été étudiées dans le but d’optimiser le procédé de traitement de surface par plasma. Tout d'abord, un certain nombre de paramètres du plasma ont été mesurés à différentes conditions de traitement. Pour déterminer les paramètres du plasma, la spectroscopie d'émission optique a été utilisée dans la région l’ultraviolet, du visible et l’infrarouge (rarement utilisée dans la littérature scientifique). L’utilisation de la spectroscopie d'émission dans cette dernière région spectrale est avantageuse car elle permet d'éliminer les forts chevauchements entre les transitions atomiques et moléculaires et de pallier la faible intensité du signal observée dans la région de l’ultraviolet et du visible. Par la suite, la composition chimique de surface du PTFE a été analysée par XPS pour déterminer les concentrations en carbone, fluor, azote et des groupements amine suite à un traitement par plasma. Les résultats mentionnés ci-dessus ont été utilisés pour corréler les conditions de traitement et les paramètres de décharge micro-ondes à la composition chimique du PTFE modifié, dans l’objectif de mettre en évidence les paramètres expérimentaux du plasma et les espèces présentes dans le plasma qui jouent un rôle clé pour maximiser la fonctionnalisation de surface du polymère avec des groupements amine. En outre, un modèle mathématique a été développé en utilisant la technique de régression PLS. Pour construire ce modèle, un ensemble de données de variables d'entrée contenant les conditions de traitement et les paramètres spectroscopiques du plasma et une matrice de réponse contenant les propriétés de surface du polymère ont été générées. La base de données obtenue a été utilisée pour établir la relation entre les paramètres du plasma, les conditions de traitement et la chimie de surface du film. Cela a finalement permis de prédire la composition chimique de la surface à partir d’informations relatives au plasma, sans avoir à effectuer des analyses de surface après le traitement. / Plasma surface modification is a widely used technique for improving the surface properties ‎of ‎polymers through the introduction of different functional groups. In ‎the current research project, ‎different methods to improve the characterization techniques of ‎N2 and N2-H2 microwave discharge ‎were investigated with the aim of optimizing the ‎plasma surface process. First of all, a number of plasma parameters were measured at ‎different process conditions. To determine the plasma ‎parameters, optical emission spectroscopy was used ‎not only within the well-documented ‎UV-Visible region but also within the rarely ‎studied infrared zone. Using infrared optical emission ‎spectroscopy is advantageous as it ‎eliminates the strong overlap between atomic and molecular ‎transitions as well as the low ‎intensity UV-Visible emission spectroscopy limitations. In the next step, the PTFE surface chemical composition was analyzed via XPS to quantify the ‎concentrations of carbon, fluorine, and nitrogen after a plasma treatment in a N2-H2 gaseous ‎environment. The XPS analyses were also performed after chemical derivatization to quantify the ‎surface concentration of amino groups (%NH2) at different process conditions. The above-mentioned results were used to correlate process conditions and microwave N2-‎H2 ‎discharge‏ ‏parameters‏ ‏to the chemical composition of the modified ‎PTFE. The purpose was ‎to ‎determine the external plasma parameters and species present within the plasma ‎which ‎‎play a key ‎role in the introduction of amino groups to the polymer surface. ‎Furthermore, a mathematical model was developed using ‎the Partial Least Squares ‎Regression, ‎‎(PLSR) ‎using custom scripts written in MATLAB. A data set of ‎input variables including the process conditions ‎and plasma ‎parameters for each experiment ‎were generated along with the corresponding response ‎matrix which in turn contained the ‎surface ‎properties of the film.‎ ‎The resulting database was used to ‎build the relationship ‎between the plasma parameters, ‎process condition and the resulting film ‎surface chemistry. ‎This ultimately enabled to predict the PTFE surface chemistry from data originating ‎from the plasma, without having to proceed to post-plasma surface characterization.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Aujourd'hui, les fluoropolymères sont largement utilisés dans différentes industries, notamment l'industrie textile, du bâtiment et des instruments médicaux. Leur inertie chimique et leur faible coefficient de frottement font qu'ils sont adaptés à différentes applications. Cependant, leur faible énergie de surface conduit à une mauvaise adhérence lors de l'assemblage des dispositifs composites. Parmi les différentes techniques utilisées pour améliorer leur adhérence, les décharges à barrière diélectrique à la pression atmosphérique constituent une méthode rapide et peu coûteuse avec un impact environnemental réduit. Dans une décharge contenant des précurseurs polymérisables, les espèces très énergétiques présentes dans le gaz ionisé permettent la rupture de liaisons moléculaires en phase gazeuse et la croissance de films minces à la surface du polymère. De plus, la décharge à la pression atmosphérique a été largement utilisée ces dernières années pour modifier les surfaces des polymères dans différents secteurs. Cette technique a l'avantage de réduire le coût du processus car elle élimine le besoin de systèmes à vide et permet de gagner du temps car moins de préparation est nécessaire pour utiliser le réacteur par rapport aux conditions de plasma à basse pression. Par conséquent, ce processus est rapide et économique, ce qui le rend adapté aux applications industrielles. Bien que cette approche se soit avérée efficace, les différents processus chimiques et physiques qui se produisent dans la décharge ne sont pas encore entièrement compris. Premièrement, l'utilisation de la décharge à la pression atmosphérique implique souvent des filaments localisés à haute énergie. Ce phénomène conduit à une modification inhomogène de la surface et/ou pourraient induire des dommages à l'échantillon par transfert de chaleur localisé. Aussi, la modification par plasma à la pression atmosphérique induite sur le polymère ne dure généralement que quelques jours. L'ajout d'un précurseur organique contenant des groupements polaires à cette décharge permet le dépôt de certaines fonctionnalités chimiques hydrophiles. Cela peut augmenter l'adhérence et la durée de vie du revêtement du polymère modifié. Aussi, il est possible d'éviter la formation de filaments localisés avec un système de régulation de puissance pour atteindre la puissance requise sans échauffement de surface. Cela limite le courant lors de la montée en tension et ralentit les mécanismes de claquage rapide. Dans cette recherche, des surfaces de fluoropolymères ont été modifiées à l'aide d'une décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique dans un environnement d'azote et d'un précurseur organique. L'effet de la décharge sur un fluoropolymère a été étudié par une analyse de surface détaillée avant et après chaque traitement. La caractérisation de l'extrême surface a été réalisée par spectroscopie de photoélectrons X (XPS) à la fois en survol et en haute résolution C1s. De plus, la spectroscopie infrarouge en mode de réflectance totale atténuée (ATR-FTIR) a été utilisée pour évaluer les modifications observées sur les premiers micromètres de la surface des échantillons. Du point de vue de la décharge, la puissance appliquée a été contrôlée en utilisant un rapport cyclique (DC) pour augmenter la puissance à travers une onde pulsée. Cela a été fait pour contrôler la fonctionnalisation de la surface sans surchauffer la surface ni endommager le polymère. Les résultats montrent la formation d'une variété de nouvelles fonctionnalités hydrophiles. Dans ce contexte, plusieurs expériences ont été réalisées pour mieux comprendre le mécanisme de formation de ces liaisons à la surface du fluoropolymère. Tous les résultats ont été corrélés avec la modification de l'énergie de surface obtenue à partir de l'analyse de l'angle de contact statique mesuré à la fois avec de l'eau et du diiodométhane. Enfin, la profilométrie a été utilisée pour corréler les paramètres du plasma au taux de croissance des différents films minces produits. Ces découvertes prometteuses constituent une étape importante vers une meilleure compréhension des modifications chimiques induites sur les polymères fluorés par ce procédé sec. / Today, fluoropolymers are widely employed in different industries, including textiles, buildings, and medical instruments. Their chemical inertness and low friction coefficient make them suitable for different applications. However, their low surface energy leads to poor adhesion during the assembly of composite devices. Among the different techniques used to enhance their adhesion, atmospheric pressure discharges provide a fast and low-cost method with a reduced environmental impact. The highly energetic species present in the ionized gas allow the breaking of molecular bonds in the gas phase and the growth of thin films on the polymer surface. In addition, atmospheric pressure discharge has been widely used in recent years to modify the surfaces of polymers in different sectors. This technique has the advantage of reducing the cost of the process because it eliminates the need for vacuum systems and gains time as no extreme preparation is needed before using the reactor. Therefore, this process is fast and cost-effective, which makes it suitable for industries. Although this approach has proven to be efficient, the different chemical and physical processes happening in the discharge remain not fully understood. First, the plasma modification induced on the polymer usually lasts only a few days. Also, the use of atmospheric pressure discharge often involves highly energetic localized filaments. This phenomenon leads to an inhomogeneous modification of the surface and/or could induce damage to the sample due to localized heat transfer. Initially, adding an organic precursor to this discharge makes it possible to form a specific hydrophilic chemical function and deposit it on the surface. This can increase the adhesion and coating lifetime of the modified polymer. Also, it is possible to avoid the formation of localized filaments, with a system for power regulation to reach the required power without surface overheating. This limits the current during the voltage increase and slows down the rapid breakdown mechanisms. In this study, fluoropolymer surfaces were modified using an atmospheric pressure dielectric barrier discharge in a nitrogen and organic precursor environment. The effect of the discharge on a fluoropolymer was studied through a detailed surface analysis before and after each treatment. The characterization of the extreme surface was carried out by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in both the survey and C1s high resolution modes. In addition, infrared spectroscopy in attenuated total reflectance mode (ATR-FTIR) was used to evaluate the modifications observed on the first few top micrometers of the samples. Concurrently, the applied power was regulated using a duty cycle (DC) to increase the power via a pulsed wave. This was done to optimize the surface's functionalization without overheating the surface or harming the bulk of the polymer. The results show the formation of a variety of new hydrophilic functionalities and several experiments were performed to build a better fundamental understanding of the mechanism of a thin film formation on the fluoropolymer surface. All results were correlated with the modification of the surface energy obtained from the static contact angle analysis measured using both water and diiodomethane. Finally, profilometry was used to correlate the plasma parameters to the growth rate of the different thin films produced. These promising findings are an important step toward gaining a better understanding of the chemical modifications induced on fluoropolymers by this dry process.

Le transport anormal de l’energie observé en régime turbulent joue un rôle majeur dans les propriétés de stabilite des plasmas de fusion par confinement magnétique, dans des machines comme ITER. En effet, la turbulence plasma est intimement corrélée au temps de confinement de l’energie, un point clé des recherches en fusion thermonucléaire.<p>Du point de vue théorique, la turbulence plasma est décrite par les équations gyrocinétiques, un ensemble d équations aux dérivées partielles non linéaires couplées. Par suite des très différentes échelles spatiales mises en jeu dans des conditions expérimentales réelles, une simulation numérique directe et complète (DNS) de la turbulence gyrocinétique est totalement hors de portée des plus puissants calculateurs actuels, de sorte que démontrer la faisabilité d’une alternative permettant de réduire l’effort numérique est primordiale. En particulier, les simulations de grandes échelles (”Large-Eddy Simulations” - LES) constituent un candidat pertinent pour permettre une telle r éduction. Les techniques LES ont initialement été développées pour les simulations de fluides turbulents à haut nombre de Reynolds. Dans ces simulations, les plus grandes échelles sont explicitement simulées numériquement, alors que l’influence des plus petites est prise en compte via un modèle implémenté dans le code.<p>Cette thèse présente les premiers développements de techniques LES dans le cadre des équations gyrocinétiques (GyroLES). La modélisation des plus petites échelles est basée sur des bilans d’énergie libre. En effet, l’energie libre joue un rôle important dans la théorie gyrocinétique car elle en est un invariant non lin éaire bien connu. Il est démontré que sa dynamique partage de nombreuses propriétés avec le transfert d’energie dans la turbulence fluide. En particulier, il est montré l’existence d’une cascade d énergie libre, fortement locale et dirigée des grandes échelles vers les petites, dans le plan perpendiculaire â celui du champ magnétique ambiant.<p>La technique GyroLES est aujourd’hui implantée dans le code GENE et a été testée avec succès pour les instabilités de gradient de température ionique (ITG), connues pour jouer un rôle crucial dans la micro-turbulence gyrocinétique. A l’aide des GyroLES, le spectre du flux de chaleur obtenu dans des simulations à très hautes résolutions est correctement reproduit, et ce avec un gain d’un facteur 20 en termes de coût numérique. Pour ces raisons, les simulations gyrocinétiques GyroLES sont potentiellement un excellent candidat pour réduire l’effort numérique des codes gyrocinétiques actuels. <p>/ Anomalous transport due to plasma micro-turbulence is known to play an important role in confinement properties of magnetically confined fusion plasma devices such as ITER. Indeed, plasma turbulence is strongly connected to the energy confinement time, a key issue in thermonuclear fusion research. Plasma turbulence is described by the gyrokinetic equations, a set of nonlinear partial differential equations. Due to the various scales characterizing the turbulent fluctuations in realistic experimental conditions, Direct Numerical Simulations (DNS) of gyrokinetic turbulence remain close to the computational limit of current supercomputers, so that any alternative is welcome to decrease the numerical effort. In particular, Large-Eddy Simulations (LES) are a good candidate for such a decrease. LES techniques have been devised for simulating turbulent fluids at high Reynolds number. In these simulations, the large scales are computed explicitly while the influence of the smallest scales is modeled.<p>In this thesis, we present for the first time the development of the LES for gyrokinetics (GyroLES). The modeling of the smallest scales is based on free energy diagnostics. Indeed, free energy plays an important role in gyrokinetic theory, since it is known to be a nonlinear invariant. It is shown that its dynamics share many properties with the energy transfer in fluid turbulence. In particular, one finds a (strongly) local, forward (from large to small scales) cascade of free energy in the plane perpendicular to the background magnetic field.<p>The GyroLES technique is implemented in the gyrokinetic code Gene and successfully tested for the ion temperature gradient instability (ITG), since ITG is suspected to play a crucial role in gyrokinetic micro-turbulence. Employing GyroLES, the heat flux spectra obtained from highly resolved direct numerical simulations are recovered. It is shown that the gain of GyroLES runs is 20 in terms of computational time. For this reason, Gyrokinetic Large Eddy Simulations can be considered a serious candidate to reduce the numerical cost of gyrokinetic simulations. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Electromagnetic acceleration has the potential for various applications stemming from space electric propulsion systems to future air breathing hypersonic augmentation.<p>Electromagnetic acceleration uses electromagnetic body force produced by the interactions of currents carried in plasma which is either externally applied or self-induced magnetic fields to accelerate the whole body of gas. Historically, these plasmas sources have been arc jets, shock tube and microwaves. Never has an electromagnetic accelerator been powered by an inductively coupled plasma (ICP) source.<p>The von Karman Institute has experimentally investigated the acceleration of an electrically conductive fluid produce by a subsonic ICP source. This ICP source was powered with a 15 kW and 27.1 MHz radio frequency facility called the Minitorch. The electromagnetic acceleration was accomplished with the design, fabrication and testing of a linear Hall current magnetofluiddynamic accelerator (MFDA) channel. The channel was geometrically orientated into the Hall configuration to accounts for the large Hall Effect. This channel used a single pair of copper annulus electrodes powered by a 10 kW direct current power supply. The channel was water cooled and contained various diagnostics to provide greater insight to the electromagnetic acceleration process. This was the first successful magnetofluiddynamic acceleration of an ICP source and validates the proof of concept.<p>One-dimensional MFD modeling was formulated and used to determine the necessary performance requirements of the MFDA channel E and B field subsystems. An interaction parameter of approximately 2.25 was required for the doubling of an inlet velocity of 300 m/sec. The required subsystem need to provide a current density was 6 Amps/cm2 with a magnetic field strength of 0.50 Tesla over an acceleration length of 0.1 meters. Additional the most critical constraint was the thermal management subsystem which was designed to overcome large heat transfer fluxes to achieve a steady state condition over a test run of 10 minutes.<p>The dynamic pressure measured increase the inlet velocity 101% for an argon plasma flowing at 1.01 g/s at a magnetic field strength of 0.49 Tesla. his strong acceleration of the plasma was most notable near the region of the electrodes at the exit of the 0.1 m long channel. The central region of the plasma has less dynamic pressure increase corresponding to only a maximum of 15% increase in velocity at a magnetic strength of 0.49 Tesla. Experimental results showed that axial discharge voltages increased with increased magnetic fields, indicating a strong Hall Effect in the accelerator as expected.<p>Theoretical analysis was accomplished using the one-dimensional equation of motion and was compared to utilizing only the momentum equation. Experimental force fluxes were compared to the calculated values of the one-dimensional equation of motion and momentum equation. The reference area for the current density was selected from intensity measurement using a high speed camera with the MFDA channel on. There was significant error in the analysis concerning using the momentum Lorentz force only versus the one-dimensional equations of motion; which included joule heating. This analysis summarized the necessity to include joule heating in the formulation of the problem. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Suite à la propagation d 'une impulsion laser femtoseconde intense dans un milieu gazeux, l'impulsion laser s'effondre sur elle-même et forme des filaments de lumière. Ces filaments sont induits par un équilibre dynamique entre l'autofocalisation par effet Kerr et la défocalisa:tion due au plasma « auto généré ». L'équilibre de ces deux effets aboutit au phénomène universel. de la « saturation de l'intensité ». L'intensité saturée est assez grande pour ioniser ou dissocier les différentes espèces de gaz par l'ionisation multiphotonique/tunnel (MPlj TI) , produisant la fluorescence 'propre'. Le phénomène de la filamentation est riche en concepts et applications. Ceci inclut la détection et l'identification des gaz polluants, le contrôle de la foudre ou d'une décharge ou, finalement, la génération d'impulsions puissantes de peu de cycles. L'objectif de cette thèse était de développer un outil spectroscopique qui peut être utilisé pour mesurer la densité de plasma à l'intérieur du filament. La connaissance de ce paramètre clé est importante pour la caractérisation de la saturation de l'intensité du processus de filamentation. Ce défi pourrait être relevé en développant une nouvelle approche basée sur l'élargissement Stark de lignes atomiques du spectre d'émission du filament. Cette thèse traite des critères de l'applicabilité et de la validité de l'approche de l'élargissement Stark. L'approche de l'élargissement Stark est d'abord illustrée par la « spectroscopie de plasma induite par filament» (FIBS) du plomb métallique. On montre pourquoi la technique FIBS est avantageuse comparée à la spectroscopie conventionnelle de plasma induite par laser nanoseconde (ns-LIBS). Ensuite, la preuve de l'applicabilité de la méthode de l'élargissement Stark à un milieu gazeux (utilisant l'argon comme exemple) est fournie. Elle s'avère utile pour mesurer la densité de plasma à l'intérieur du filament dans l'air ambient dans différentes conditions de propagation. De plus, la saturation d'intensité du processus de filamentation dans l'hélium est confirmée. Ceci, en particulier, est effectué en mesurant les densités de plasma en fonction de l'énergie et de la pression, respectivement. La réalisation des objectifs ci-dessus serait profitable pour obtenir une meilleure compréhension de la physique fondamentale et développer les applications mentionnées.

Lors de la filamentation d'une impulsion laser femtoseconde dans un gaz, la symétrie du milieu optique est brisée dans la direction de polarisation du champ électrique intense du laser. Les propriétés optiques du gaz sont alors modifiées, le milieu passant d'isotrope à biréfringent. Expérimentalement, l'évolution temporelle de ces modifications d'indice de réfraction est sondée par une seconde impulsion sonde femtoseconde de faible intensité. L'analyse de la figure de diffraction de l'impulsion sonde en champ lointain et la modulation de son spectre révèlent la nature des changements d'indice. Dans les milieux atomiques non résonnants tels que l'argon, ces changements d'indice sont instantanés et sont attribués à l'effet Kerr électronique. Dans les gaz moléculaires tels que l'air et l'azote, l'effet dominant provient de la réponse moléculaire retardée par environ 100 fs et causée par l'alignement des molécules dans la direction de polarisation de la pompe. L'alignement partiel des molécules se reproduit périodiquement dans le temps, aux délais correspondant au quart de la période fondamentale de rotation des molécules.

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