Les sprites sont de gigantesques phénomènes lumineux qui sont produits entre 40 et 90 km d’altitude généralement par des éclairs nuage-sol positifs. Les sprites sont des phénomènes très brefs (durée de quelques millisecondes) qui appartiennent à la famille des TLEs (évènements lumineux transitoires) et qui sont composés de structures filamentaires nommées streamers. Les streamers sont des filaments de plasma, qui se propagent à des vitesses allant jusqu’à ∼10⁷ m/s et qui possèdent des champs électriques très forts souvent proches de 150 kV/cm (champs réduit à la pression atmosphérique). Lors de ce travail, on a développé un modèle fluide de plasma qui simule les décharges streamers couplées avec un modèle simulant les émissions optiques afin d’étudier la physique des streamers, des TLEs et plus particulièrement des sprites dans le cadre de la mission spatiale TARANIS. Cette mission a pour objectif d’étudier le système Atmosphère-Ionosphère-Magnétosphère, et observera les TLEs et leurs émissions associées: électromagnétiques, optiques, et probablement radiations énergétiques depuis le nadir. Dans cette thèse, on propose d’étudier certains problèmes liés aux streamers et aux sprites qui sont cruciaux pour préparer la mission TARANIS. Plus particulièrement nous abordons certains mécanismes de production de radiations énergétiques par les streamers récemment proposés dans la littérature et nous développons une méthode qui permet de déterminer l’altitude, la vitesse et le champ électrique des streamers des sprites, à partir d’une analyse spectroscopique de leurs émissions optiques. Nos résultats renforceront donc le retour scientifique des futures missions spatiales observant les TLE depuis le nadir et particulièrement TARANIS. / Sprites are large optical phenomena usually produced between 40 and 90 km altitude generally by positive cloud-to-ground lightning (+CG). These are short lifetime phenomena (duration of few milliseconds) that belong to the family of transient luminous events (TLEs) and composed of complex filamentary structures called streamers. Streamers are non-thermal plasma filament, highly collisional, propagating with velocities up to 10⁷ m/s, and characterized with high electric fields at their heads often close to 150 kV/cm when scaled to ground level air. In this work, we have developed a streamer plasma fluid model coupled with an optical emission model to investigate the physics of streamers and sprites in the framework of the TARANIS space mission. TARANIS will observe TLEs from a nadir-viewing geometry along with their related emissions (electromagnetic and particles). In this dissertation, we investigate some mechanisms of emission of energetic radiation from streamers recently proposed in the literature and we present an original spectroscopic method to determine sprite streamers altitudes, velocities, and electric fields through their optical emissions. This method is especially useful for increasing the scientific return of space missions that have adopted nadir-based observation strategies.

La thèse étudie la dynamique des Electrons Découplés (DE) dans une disruption plasma déclenchée par injection massive de gaz dans le tokamak JET et simulée par le code JOREK. Cette investigation est permise par l’implémentation d’un module de suivi des particules tests relativistes dans JOREK. L’étude montre que les électrons peuvent ‘survivre’dans le chaos magnétique caractérisant la phase dite de ‘Disjonction Thermique’ (DT) de cette disruption (simulée) grâce à la reformation des surfaces magnétiques fermées. Deuxièmement, l’accélération des électrons causée par les champs électriques dus aux fluctuations magnétohydrodynamiques (MHD) pendant la DT est analysée. Cela montre que les électrons peuvent être accélérés par ces champs et devenir DE, après reconfinement, pendant la phase dite de ‘Disjonction de Courant’. Une étude préliminaire sur les dépendances entre le courant des DE et l’activité MHD dans les expériences de disruption du tokamak ASDEX Upgrade est également reportée. / In view of better understanding Runaway Electron (RE) generation processes during tokamak disruptions, this work investigates test electron dynamics during a JET disruption simulated with the JOREK code. For this purpose, a JOREK module computing relativistic test particle orbits in the simulated fields has been developed and tested. The study shows that a significant fraction of pre-disruption thermal electrons remain confined in spite of the magnetic chaos characterizing the Thermal Quench (TQ) phase. This finding, which is related to the prompt reformation of closed flux surfaces after the TQ, supports the possibility of the so-called “hot tail” RE generation mechanism. In addition, it is found that electrons may be significantly accelerated during the TQ due to the presence of strong local electric field (E) fluctuations related to magnetohydrodynamic (MHD) activity. This phenomenon, which has virtually been ignored so far, may play an important role in RE generation. In connection to this modelling work, an experimental study on ASDEX Upgrade disruptions has been performed, suggesting that strong MHD activity reduces RE production.

Dans les tokamaks, Sous l'application champ de électrique, les électrons sont accélérés et en même temps, ils subissent une force de friction due aux collisions avec les autres particules du plasma. Cependant, une fraction de la population totale d'électrons peuvent surmonter la force de friction et atteindre une vitesse proche de la vitesse lumière. Ces électrons relativistes sont découplés du plasma et sont appelés électrons runaway (ER). Ils peuvent apparaître lors des différentes phases d'une décharge de plasma. Par exemple, dans la phase de démarrage ou alors pendant les disruptions, au cours desquelles une fraction importante du courant plasma peut être convertie en ER ayant une énergie pouvant atteindre quelques dizaines de MeV. Les ER créés pendant la phase de perturbation peuvent causer des dommages aux premiers composants murs si un dépôt localisé de forte puissance se produit. ITER étant un tokamak de grande taille et un projet coûteux, la génération d'ER n'est pas souhaitable. La viabilité de la machine nécessite que les ER soient détectés en temps réel. La thèse fournit une étude détaillée dans cette direction pour le développement des deux principaux diagnostics sur ITER impliqués dans les mesures de paramètres pour les ER, à savoir, le moniteur de rayons X durs qui détecte le rayonnement de bremsstrahlung et les caméras visibles et infrarouges qui détectent le rayonnement synchrotron. Une solution de conception unique a été proposée pour le moniteur HXRM et est développée ici et optimisée. Pour les caméras, une modélisation des signaux est effectuée pour la première fois. Pour ce faire, un code de calcul a été développé et validé sur différents tokamaks. / In tokamaks, under the application of the electric field, a small fraction of the total electrons population can overcome collisional drag force and attain high velocity close to the speed of light. These relativistic electrons are called Runaway-Electrons (REs). The REs can occur during different phases of a plasma discharge. REs created during the disruptions phase can form a high energetic RE-beam that poses a risk to damage the first wall components if localized high power deposition takes place. ITER being a large size tokamak and an expensive project, generation of REs is not desirable during any phases of a plasma discharge. Detection of these REs and measurements of its parameters are important for the tokamak operation. Hence, RE diagnostics have to be in place to aid the commissioning of the disruption mitigation system and also for the post-event analysis to improve the reliability of RE avoidance. The present thesis gives a detailed study in this direction for the development of the two principal ITER Diagnostics involved in RE parameter measurements, namely the Hard X-Ray Monitor (HXRM) that detects bremsstrahlung radiation and the Visible and Infrared Cameras that detect synchrotron radiation. A unique design solution has been given for the HXRM and is developed, R&D tests were performed and optimized in line with this understanding. For the cameras, it is predicted for the first time which images and signal intensity can be expected. To achieve this, a simple but comprehensive code has been developed and validated on tokamaks that can predict RE parameters and corresponding diagnostic signals which may have further uses also in the context of RE avoidance.