Calcul de la source de matière effective associée à l'alimentation par injection de glaçon : application à ITER [Réacteur expérimental thermonucléaire international]

Hydrogen pellet injection into tokamak : application to ITER

• Auteur / Autrice : Hassan Nehme
• Direction : Bernard Pégourié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ablation (aérothermodynamique)

Réacteur expérimental thermonucléaire international

Tokamaks

Fusion nucléaire

Résumé

Avec l’augmentation de la taille des machines et l’amélioration des performances, l’injection de glaçons est devenue un moyen indispensable d’alimentation et de contrôle des plasmas de fusion. Un élément-clé pour l’analyse de scénarios pour ITER est la détermination de la source effective de matière associée à l’injection d’un glaçon, dont le calcul réclame de décrire avec précision les phases d’ablation et d’homogénéisation de la matière déposée. C’est à cette tâche que s’attache le travail décrit dans ce mémoire. Dans la première partie, consacrée à la description de l’ablation du glaçon par le flux de chaleur du plasma, nous analysons l’importance des différents processus de blindage. Dans la seconde partie, consacrée à la description de la dérive de la matière déposée le long du gradient de champ, nous comparons les caractéristiques mesurées du profil de dépôt de matière à nos simulations, montrant un bon accord, et ce dans plusieurs machines et pour des conditions de décharges différentes. Enfin, nous décrivons plusieurs améliorations apportées à notre modèle et montrons qu’il existe une corrélation entre le maximum du dépôt de matière et les positions des surfaces de flux de facteur de sécurité entier. La dernière partie s’attache à modéliser l’injection de glaçons dans ITER, estimant d’abord la profondeur de dépôt attendue et le flux à injecter pour contrôler les ELMs et maintenir la densité du plasma central, puis montrant qu’il n’est guère possible d’augmenter l’efficacité de l’alimentation en matière dans cette machine en partant des performances démontrées des injecteurs actuels.

With increasing size and performance of present tokamaks, pellet injection has become a mandatory tool for fuelling and controlling fusion plasmas. A key element in the building of reliable scenarios for ITER is the determination of the effective source of particle associated with the injection of a pellet. Such a computation requires a thorough description of both pellet ablation and deposited material homogenization in the background plasma. The goal of this his report is the description of such a study. In the first part, which is devoted to ablation physics, we analyze the relative importance of the different processes shielding the pellet against the plasma heat flux. In the second part, which is devoted to the description of the drift of the pellet deposited material down the magnetic field gradient, we compare the measured characteristics of deposition profiles to our own simulations, showing a good agreement. This was done for data originating from different machines operating with different plasma scenarios. Then, we describe the several improvements brought to our model and demonstrate that there is a correlation between the location of the maximum of matter deposition and that of integer q-surfaces. The last part reports on the modeling of pellet injection in ITER. First we estimate the expected deposition depth of the pellet material, and the flux to be injected for pacing the ELMs and maintaining the core density. Then, we present a parametric study demonstrating that it is not possible to improve significantly the fuelling efficiency in ITER on the basis of the demonstrated performance of present injectors.