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Theses Year : 2010

Study of a disruption mitigation method for tokamak plasmas

Etude d'une méthode d'amortissement des disruptions d'un plasma de tokamak

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Abstract

Disruptions are a sudden loss of confinement of a tokamak plasma which take place in around 20 ms. They may lead to severe damaging of the tokamak structure, through heat deposition on Plasma Facing Components, eletromagnetic stresses and relativistic runaway electrons. On future reactors, disruption mitigation will be critical. Massive gas injection is one of the methods proposed to mitigate disruptions. It was studied both experimentally and numerically in the thesis. Experiments on the Tore Supra and JET tokamaks showed that light gases (helium) were able to suppress runaway electrons. They induce a large a density build-up which is large enough to suppress runaway production. On the contrary, heavier gases should be able to radiate more of the plasma thermal energy, but generate runaway electrons. All gases reduce electromagnetic forces. Gas mixtures have also been tested successfully to combine the advantages of the two types of gas. The gas jet penetration is linked to MHD instabilities enhancing the radial transport of the ionized gas, but preventing the neutrals from penetrating further inside a critical MHD surface. Massive gas injection simulations have been carried out using the 3D MHD code Jorek, by adding a neutral fluid model to the code. Results show that MHD instabilities are triggered more rapidly with high amounts of gas, and that successive rational surfaces are ergodized by the penetration of the density front in the plasma, in agreement with experimental observations.
Les disruptions sont des pertes violentes et très rapides (environ 20 ms) du confinement des plasmas de tokamak qui peuvent conduire à des endommagements de la structure du tokamak. Elles génèrent des charges thermiques sur les composants face au plasma, des forces électromagnétiques dans les structures de la machine et produisent des électrons découplés relativistes pouvant perforer l'enceinte à vide. Pour des futurs réacteurs, il sera indispensable d'amortir ces effets. L'injection massive de gaz est une des méthodes proposées dans ce but. Son étude expérimentale et numérique est l'objet de la thèse. Des expériences menées sur les tokamaks Tore Supra et JET ont montré que l'injection de gaz légers comme l'hélium empêchaient la production d'électrons découplés, au contraire des gaz plus lourds. Les gaz légers sont en effet capables d'accroître suffisamment la densité du plasma pour empêcher la création de ces électrons. En revanche, les gaz lourds permettent de dissiper par rayonnement et de façon plus bénigne une partie de l'énergie thermique du plasma. Tous les gaz diminuent les forces électromagnétiques. Des mélanges de gaz ont également été testés avec succès pour profiter des avantages des deux types de gaz. La pénétration du gaz dans le plasma semble liée à des instabilités MHD augmentant le transport radial du gaz ionisé vers le centre, mais empêchant la propagation des neutres au-delà d'une surface critique. Des simulations d'injections massives ont été réalisées avec le code 3D MHD Jorek, en y ajoutant un modèle de fluide neutre. Les résultats montrent que la croissance des instabilités MHD est plus rapide lorsque de grandes quantités de gaz sont injectées et que les surfaces rationnelles sont successivement ergodisées lors de la pénétration du front de densité dans le plasma, conformément aux observations expérimentales.
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Dates and versions

pastel-00599210 , version 1 (08-06-2011)

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  • HAL Id : pastel-00599210 , version 1

Cite

Cédric Reux. Etude d'une méthode d'amortissement des disruptions d'un plasma de tokamak. Physique des plasmas [physics.plasm-ph]. Ecole Polytechnique X, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00599210⟩
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