Étude de l'émission de tungstène et la détermination de sa densité dans les plasmas à confinement magnétique

Investigation of tungsten emission and its density determination in magnetically confined plasmas

• Auteur / Autrice : Mohamed Yaakoub Boumendjel
• Direction : Olivier Peyrusse, Rémy Guirlet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LP3 - Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Escarguel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Peyrusse, Remy Guirlet, Djamel Benredjem, Nicolas Lemoine, Birger Buttenschoen, Lorella Carraro, Frank Rosmej
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lorella Carraro, Frank Rosmej

Mots clés

Mots clés libres

Tungstène

Plasmas

Spectroscopie

Tungsten

Plasmas

Spectroscopy

Résumé

Le tungstène (W) est utilisé commematériau pour les parois internes de nombreux tokamaks (AUG, WEST, ITER). Dans plusieurs reacteurs comportant des composants de paroi enW, des scénarios de plasma ont été élaborés afin de minimiser l’érosion de Wdes composants face au plasma et réduire la contamination enWdu plasma confiné. Un critère crucial pour le succès de ces scénarios est la densité deWdans le coeur du plasma. C’est pourquoi il est important de surveiller attentivement le tungstène dans les tokamaks. Le but de ce travail est d’améliorer notre compréhension de l’émission spectrale complexe du tungstène et de fournir une méthode pour quantifier la densité de tungstène au coeur du plasma à partir des spectres mesurés. Les spectres mesurés dans le domaine EUV sont très complexes lorsque le tungstène pénètre dans le plasma. L’un des objectifs de ce travail est de déterminer la nature physique du fond des spectres qui peut affecter la détermination de la densité des impuretés. L’analyse des spectres expérimentaux mesurés dans le domaine 100-300 Å révèle que l’émission du continuum est négligeable par rapport à l’émission des raies, et que les raies isolées observées se trouvent en dessus des structures spectrales (quasi-continuum) qui sont émises sur l’ensemble de ce domaine de longueur d’onde. Nous fournissons également une méthode pour déterminer l’évolution temporelle de la densité de tungstène au coeur du plasma pendant toute la durée de la décharge à partir des raies spectrales mesurées. Cependant, des erreurs aléatoires de moins de 20% dans la détermination de la densité des impuretés ne peuvent être évitées par cette méthode en raison de la nature fond des spectres. L’autre partie de ce travail concerne la modélisation de l’émission de tungstène dans les conditions des plasmas de tokamak. Les résultats des modèles théoriques (modèles collisionnels-radiatifs) sont incompatibles avec les résultats expérimentaux. Pour résoudre ce problème, une stratégie spécifique est utilisée pour fournir une liste des configurations qu’on juge les plus pertinentes dans ces conditions, en particulier les états auto-ionisants. Ce choix de configurations, ainsi que les méthodes standard d’évaluation des taux collisionnels et radiatifs moyens des configurations, sont utilisés dans les calculs. Les résultats obtenus (.i.e. ionisation moyenne) pour le tungstène sont proches des observations expérimentales. Cette approche a également permis de saisir la grande complexité des spectres de tungstène fortement ionisé.

Tungsten (W) is used as material for the inner walls of many tokamaks (AUG, WEST, ITER). In many devices with W wall components, plasma scenarios have been developed aimed at minimizing W erosion from the plasma facing components and reducingWcontamination of the confined plasma. A crucial criterion for the success of those scenarios is the core W density. For this reason, it is important to monitor carefully tungsten in these devices. The aim of this work is to improve our understanding of the complex tungsten spectral emission and provide a method to quantify the tungsten density at the plasma core from the measured spectra. The spectra measured in the EUV domain are very complex when tungsten penetrates to the plasma. One of the goals in this work is to ascertain the physics basis for the spectrum background that may affect the impurity density determination. The analysis of the experimental spectra measured in the 100-300 Å reveals that the continuumemission is negligible with respect to the line emission, and the observed isolated lines are on the top of spectral features (quasi-continuum) that are emitted over this entire wavelength domain. We also provide a method to determine the temporal evolution of the tungsten density at the plasma core during the whole discharge from the measured spectral lines. However, random errors of less 20% in determining the impurity density cannot be avoided by thismethod due to the spectra background nature. The other part of this work concerns the tungsten emission modelling in tokamak plasma conditions. The results of theoretical models of ionized populations (collisional-radiative models) are inconsistent with the experimental ones. To address this problem, a specific promotional strategy is used to provide a list of configurations we consider most relevant in these conditions, autoionizing states in particular. This choice of configurations, along with the standard methods for evaluating the configuration average collisional and radiative rates, are used in the calculations. The obtained results (.i.e average ionization) for tungsten are close to the experimental observations. This approach also allowed to capture the large complexity of highly ionized tungsten spectra.