La réflectométrie à balayage en fréquence en polarisation extraordinaire permet de mesurer des spectres locaux en nombre d’onde radiaux, S[_n/n](kr, r), et ainsi les profils radiaux de fluctuations de densité du plasma, sur le tokamak Tore Supra. La décomposition sur une base d’ondelettes – outil d’analyse position-fréquence – a permis de prendre en compte la forte variation radiale de la turbulence mesurée. Une attention particulière a été prêtée à la validation des spectres et profils turbulents mesurés, avec d’une part la confrontation avec des mesures expérimentales (réflectométries, sondes) et des simulations numériques. Cette mesure des fluctuations de densité a été appliquée à l’analyse du transport local, par l’étude de l’impact de la collisionnalité normalisée, __, sur le confinement du plasma. Ces analyses adimensionnelles permettent de comparer directement les plasmas réalisés dans les différents tokamaks. Une nette diminution du temps de confinement normalisé a été mise en évidence : B_E _ __-0.5±0.15. Point d’innovation, les profils radiaux de fluctuation de densité mesurés ont montré une forte augmentation de la turbulence de bord (r/a>0.8) liée à l’augmentation du __ – augmentation aussi observée à l’aide de la réflectométrie Doppler – fournissant donc une base physique expliquant la diminution de B_E avec __. Les régions plus centrales n’ont pas présenté de variations nettes (_n/n, _eff). Des simulations du plasma de coeur (code de stabilité linéaire KineZero et code gyrocinétique non-linéaire GYRO) ont été menées, afin d’analyser le comportement expérimental du plasma. / Fast-sweeping reflectometry in extraordinary mode allows direct measurement of radial wavenumber local spectra S(_n/n](kr, r), and radial profiles of density fluctuations, on Tore Supra tokamak. Wavelet-based approach – a mathematical tool for position-frequency analysis – made possible to consider the strong radial variation of the measured turbulence. Special consideration was given to the validation of spectra and turbulent profiles measurements, by comparing with experimental measurements (reflectometries, probes) and numerical non-linear gyrokinetic simulations. This density fluctuations measurement method has been used to analyse the local transport, by performing a dimensionless scaling on collisionnality, __. The scaling experiments allow direct comparisons of plasmas from different tokamaks. A clear decrease of the normalized confinement time of the plasma energy with the normalized collisionnality was observed : B_E _ __-0.5±0.15. These new measurements of density fluctuations profiles have shown an intense rise of the edge turbulence (r/a > 0.8) when increasing – also observed by Doppler reflectometry diagnostic – providing a physical explanation of the loss of confinement with the normalized collisionnality. More central regions did not present apparent variations (_n/n, _eff). Core plasma simulations (linear stability code KineZero and non-linear gyrokinetic GYRO) were performed, in order to analyse the experimental behaviour of the plasma.

La thèse décrit les mesures de températures ioniques (Ti) dans la Scrape-Off-Layer (SOL) – un paramètre important cependant rarement mesuré – à l'aide d'une sonde Analyseur à Retard de Champ (RFA) installée sur le Tokamak Tore Supra. La thèse s'organise en 4 chapitres. Dans le premier sont brièvement rappelés les enjeux de la fusion nucléaire, la géométrie des limiteurs et la physique la SOL, le principe des sondes de Langmuir, etc. Sont aussi adressés les différents diagnostics dédiés aux mesures de Ti dans la SOL, utilisés dans le passé. Le second chapitre est consacré au RFA. Le principe de l'analyseur, les détails techniques et opérationnels sur Tore Supra ainsi que les effets instrumentaux sur les mesures y sont abordés. Il est conclut que l'influence instrumentale sur les mesures RFA de Ti sont relativement faibles. Dans le troisième chapitre, les mesures systématiques de Ti (ainsi que d'autres paramètres) dans la SOL de Tore Supra sont présentées. Il est montré que le rapport Ti / Te > 1 (Te étant la température électronique) dans la SOL, mais aussi dans le plasma confiné ; et que ce rapport augmente avec le rayon plasma. Un autre résultat important est que Ti dans la SOL change significativement, suivant étroitement les paramètres centraux, alors que Te dans la SOL n'évolue presque pas. Dans le dernier chapitre est présenté le statut actuel de trois projets en cours visant à valider indépendamment la mesure de Ti dans la SOL de Tore Supra : le développement d'une tête de sonde à tunnel segmenté permettant une mesure des fluctuations de Ti dans la SOL ; la mesure de Ti au bord des plasmas du Tokamak Joint European Torus (JET) ; et la comparaison des mesures de RFA avec les mesures de spectroscopie d'échange de charge et recombinaison (CXRS) sur Tore Supra. / The thesis describes measurements of the scrape-off layer (SOL) ion temperature Ti – an important but yet rarely measured parameter – with a retarding field analyzer (RFA) probe in the limiter tokamak Tore Supra. The thesis is organized in four chapters. In the first chapter, some well known facts about nuclear fusion, limiter SOL, Langmuir probes, etc. are briefly recalled. Various diagnostics for SOL Ti measurements developed in the past are addressed as well. The second chapter is dedicated to the RFA. The principle of the RFA, technical details and operation of the Tore Supra RFA, and the influence of instrumental effects on RFA measurements are addressed. It is concluded that the influence of instrumental effects on RFA Ti measurements is relatively small. In the third chapter, the systematic measurements of Ti (as well as other parameters) in the Tore Supra SOL are presented. It is shown that Ti / Te >1 (with Te being the electron temperature) in the SOL but also in the confined plasma, and increases with radius. Also important result is that while SOL Ti changes significantly, following the core properties rather closely, SOL Te hardly changes at all. In the final chapter the present status of three ongoing projects aimed at the independent validation of SOL Ti measurements in Tore Supra is presented: the development of the segmented tunnel probe for fast SOL Ti measurements, the measurement of edge ion temperature in Joint European Torus (JET) tokamak, and the comparison of RFA with charge exchange recombination spectroscopy in Tore Supra.

La résolution d'un certain nombre de problèmes physiques est nécessaire au développement de réacteurs électrogènes utilisant la fusion thermonucléaire contrôlée. Le travail présenté ici traite du contrôle du rayonnement dans le cadre général de la tenue des matériaux aux flux de chaleur, ainsi que de l'opération d'un tokamak à forte densité. Ces deux points concernent plus particulièrement le futur réacteur de démonstration, appelé DEMO, pas intermédiaire entre ITER et un réacteur commercial. L'opération de DEMO sera contrainte par la nécessité de rayonner dans un large volume afin de limiter le dépôt de puissance localisé sur les plaques du divertor. Une grande fraction de rayonnement (80 à 90% de la puissance extraite) devra être obtenue tout en conservant un excellent confinement et une pollution réduite au cúur du plasma. Les études actuelles montrent que cette fraction de rayonnement est atteignable tout en limitant la contamination du plasma, mais l'amélioration des modèles de rayonnement est indispensable, tout comme les études concernant la compatibilité entre un bord fortement rayonnant et l'existence d'une barrière de transport permettant l'accès à un régime de confinement amélioré, le mode H. En parallèle, une forte densité (fraction de Greenwald supérieure à l'unité) est aussi indispensable pour atteindre la fraction de rayonnement désirée. De plus, la puissance fusion, et donc le bilan économique d'un réacteur est directement liée à la densité dans la zone de réaction, au centre du plasma. / The route presently envisaged towards the development of a commercial fusion power plant includes that a few remaining physics issues are solved. The present work addresses two of them: plasma radiation control, as a part of the more general power handling issue, and high density tokamak operation. These two issues will be most critical in the demonstration reactor, called DEMO, intermediate step between ITER and a future commercial reactor. For DEMO, the need to radiate a large fraction of the power so as to limit the peak power load on the divertor will be a key constraint. High confinement will have to be combined with high radiated power fraction, and the required level of plasma purity. A fractional radiated power, including bremsstrahlung radiation, of 80-90% of the total power loss will be required. Present studies suggest that this level of radiation could be achieved with acceptable levels of plasma contamination, but improvements are required in models of plasma radiation, and compatibility with the edge transport barrier of the H-mode has to be further assessed. Correlatively, high plasma density (typically with a Greenwald fraction above unity) is required, both because it allows efficient radiation of exhaust power to the reactor walls, and because the final cost of electricity is directly influenced by the achieved Greenwald value.

Les tokamaks visent à réaliser la fusion contrôlée de noyaux de deutérium et de tritium par le confinement magnétique d'un plasma chaud. L'interaction entre le plasma et les parois a été étudiée en détail pour le tokamak Tore Supra. Au cours des décharges, le plasma interagit fortement avec le limiteur, formé de milliers de tuiles en composite carbone/carbone. L'érosion de ces tuiles par les flux de particules du plasma mène à la formation de co-dépôts de carbone et de deutérium qu'il est essentiel de limiter. Nous avons effectué une étude multi-échelle, principalement avec les différents outils de la microscopie électronique, sur des tuiles provenant du limiteur de Tore Supra. Une analyse des co-dépôts a permis de mettre en évidence leur topographie en forme de pointes, orientées dans une même direction quelque soit la position de la tuile sur le limiteur. L'étude de la surface de tuiles appartenant à des zones majoritairement érodées a révélé la présence d'une striation périodique de surface. Ces deux phénomènes ont été mis en relation avec la direction des flux et l'effet de la gaine faiblement magnétisée de Tore Supra a été mis en évidence. L'analyse des dépôts présents dans les interstices entre les tuiles a révélé une physique propre à ces interstices permettant la formation de dépôts en profondeur. Des nanoparticules graphitiques sphériques ont été observées, signe d'une croissance homogène locale en phase plasma. Nous avons développé des méthodes de mesure des volumes de dépôt et des volumes érodés, menant à l'établissement d'un bilan carbone et à l'évaluation de la masse de deutérium piégé, en bon accord avec les mesures in-situ réalisées dans Tore Supra. / Tokamaks are devices aiming at achieving controlled fusion of deuterium and tritium by magnetically confining a hot plasma. The interaction between the plasma and the inner walls is a crucial issue and has been studied in detail in Tore Supra. During discharges the plasma strongly interacts with limiter, designed with thousands of carbon tiles (C/C composite). The plasma particle fluxes erode the tiles, leading to co-deposition of carbon and deuterium that should be limited. We have performed a multi-scale study of tiles extracted from the Tore Supra limiter, mainly using electron microscopy. The analysis of the co-deposits has revealed a tip-shaped topography, tips being oriented in the same direction wherever the tile over the limiter. Analyses of tiles extracted from erosion-dominated zones have revealed the presence of a periodic ripple on their surfaces. Both phenomena have been related with the direction of ion fluxes and the effect of the weakly magnetized sheath of Tore Supra has been shown. Analyses of the deposits inside the gaps in-between the tiles have revealed the existence of specific processes leading to the formation of deposits deeply inside the gaps. Graphitic nano-particles have been observed, showing the existence of local homogeneous growth processes. Finally, by measuring the deposit volume and the C/C composite eroded volume we have obtained an inventory of both carbon and deuterium which is consistent with the analyses of Tore Supra in-situ measurements.

Une bonne compréhension des interactions entre les ondes à la fréquence cyclotronique ionique (FCI) (40-80MHz) et le plasma de bord est nécessaire pour injecter de fortes puissances dans un plasma de fusion en continu. Les objectifs de cette thèse étaient de modéliser séparément, avec Comsol Multiphysics, mais de façon compatible le couplage d'ondes et la formation de gaines radiofréquences (RF), qui rétroagissent sur le couplage, pour aboutir à terme à une modélisation auto-cohérente. Modéliser le couplage de l'onde rapide nécessite une description détaillée de l'antenne émettrice (2D ou 3D) et du plasma environnant par une approche pleine onde en plasma froid. L'absorption des ondes sortant du domaine de simulation est émulée par des couches parfaitement adaptées, rendues compatibles avec un tenseur diélectrique plasma. Les tendances expérimentales des résistances de couplage des antennes de Tore Supra sont qualitativement reproduites mais l'efficacité de couplage est surestimée. Parallèlement une description novatrice auto-cohérente, incluant les effets des gaines RF, de la propagation de l'onde lente et de la polarisation DC (Direct Current) du bord d'un plasma magnétisé a été développée avec le minimum d'ingrédients physiques. Dans le cas des antennes Tore Supra, le couplage du code avec TOPICA a permis d'expliciter qualitativement certaines observations inattendues sur un écran de Faraday dont le schéma électrique visait à minimiser les gaines RF. Un transport de courants DC dans la SOL est apparu nécessaire pour expliquer les structures radiales des mesures. Les barreaux coupés sont les éléments de l'antenne responsable de l'augmentation du potentiel plasma / A correct understanding of the interactions between the edge plasma and the ion cyclotron (IC) waves (40-80MHz) is needed to inject reliably large amount of power required for self-sustainable fusion plasmas. These thesis objectives were to model separately, with Comsol Multiphysics, but in compatible approaches the wave coupling and the radio-frequency (RF) sheath formation to anticipate development of a single code combining both. Modelling of fast wave coupling requires a detailed description of the antenna (2D or 3D) and of the plasma environment by a full wave approach for a cold plasma. Absorption of outgoing waves is emulated by perfectly matched layers, rendered compatible with a plasma dielectric tensor. Experimental trends for the coupling resistance of the antennas of Tore Supra are qualitatively reproduced but the coupling efficiency is overestimated. In parallel a novel self-consistent description, including RF sheaths, of the interplay between the cold wave propagation and DC biasing of the magnetized edge plasma of a tokamak was developed with the minimum set of physics ingredients. For Tore Supra antenna cases, the code coupled with TOPICA allowed to unveil qualitatively some unexpected observations on the latest design of Tore Supra Faraday screens whose electrical design was supposed to minimize RF sheaths. From simulations, a DC (Direct Current) current transport appears necessary to explain the radial structures of measurements. Cantilevered bars have been identified as the design element in the antenna structure enhancing the plasma potential

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.