Conception et évaluation des performances des diagnostics de mesure des électrons découplés pour ITER fondé sur une modélisation prédictive

Development and performance assessment of ITER diagnostics for runaway electrons based on predictive modelling

• Auteur / Autrice : Santosh Pandya
• Direction : Joël Rosato, Roger Reichle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 19/03/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Hennequin-Blondet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Lehnen, Roland Stamm
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roger Jaspers, Jan Mlynar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteur expérimental thermonucléaire international

Rayonnement synchrotron

Tokamaks

Électrons relativistes

Mots clés libres

Électrons runaway

Électrons relativistes

Tokamaks

Iter

Plasma

Diagnostics

Rayonnement

Bremsstrahlung

Rayonnement synchrotron

Moniteur à rayons X durs

Spectromètre à rayons gamma.

Runaway Electrons

Relativistic Electrons

Tokamaks

Iter

Plasma

Diagnostics

Bremsstrahlung radiation

Synchrotron radiation

Hard x-Ray monitor

Gamma-Ray spectrometer

Résumé

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.