Soutenance de thèse de CARRARD Maylis
Titre de thèse
Mesures en temps réel des profils de densité avec la réflectométrie mode X pour le contrôle de densité et de position du plasma, vers l'optimisation des performances du plasma
Real-time density profile measurements with X-mode reflectometry for plasma density and position control toward tokamak plasma optimisation
Résumé de la thèse
La maîtrise de la densité et de la position du plasma est un enjeu majeur pour les futurs réacteurs de fusion. Sur le tokamak WEST du CEA, le contrôle de la densité repose principalement sur l'interférométrie infrarouge, qui fournit une densité intégrée mais aucune information spatiale. La réflectométrie micro-onde permet au contraire de mesurer le profil radial de densité électronique et d'en déduire la densité et la position du plasma. Cette thèse étudie et démontre l'utilisation de la réflectométrie en mode X comme capteur temps réel intégré au système de contrôle du plasma (PCS) de WEST.
Le diagnostic étudié est le réflectomètre de bord DREFRAP, opérant dans la bande W entre 75 et 115 GHz. En mode X, la fréquence de coupure dépend de la densité électronique et du champ magnétique, permettant de déterminer une position radiale absolue. Le système existant, conçu pour une analyse post-décharge fondée sur la phase et nécessitant environ 100 ms par profil, a été adapté aux contraintes du temps réel, le PCS fonctionnant avec un cycle de 1 ms.
Une nouvelle chaîne d'acquisition, DREFRT1, a été développée autour de la carte Nectarine. Les signaux sont numérisés puis traités sur un ordinateur dédié avant transmission au PCS. L'algorithme a été reformulé. Le bord du plasma est identifié à partir du saut de fréquence de battement extrait directement du signal brut par transformée de Fourier à court terme. La reconstruction est ensuite effectuée à partir du temps de vol. En C++, le temps de traitement atteint environ 600 µs par profil.
Cette chaîne permet d'obtenir des profils de densité en temps réel et d'en dériver des capteurs adaptés au PCS : densité à rayon fixe, densité relative par rapport à la frontière plasma et position d'une surface d'isodensité. Ils ont été intégrés aux boucles de contrôle de WEST. Le contrôle de densité à rayon fixe par réflectométrie est validé avec des performances comparables au contrôle interférométrique. Il reste également stable lors d'un déplacement radial volontaire du plasma, démontrant la capacité de contrôle à position absolue.
Le contrôle de position par réflectométrie en mode X a également été démontré. Une première expérience a mis en évidence une instabilité liée à une latence excessive. Après réduction du filtrage, une translation radiale de 6 cm a été réalisée sans instabilité de contrôle. Après optimisation, la latence atteint environ 5 ms pour la position et 20 ms pour la densité, contre 40 à 60 ms pour l'interférométrie.
Une extension vers le cœur du plasma a été explorée en combinant la bande W en mode X avec la bande V en mode O. Les mesures en mode O restent toutefois fortement bruitées en raison des multi-réflexions et de l'affaiblissement du signal. La transition temps réel entre les deux modes n'est donc pas encore suffisamment robuste pour un contrôle fiable.
Enfin, la réflectométrie en mode X a été appliquée au contrôle du couplage du chauffage cyclotronique ionique (ICRH). Lorsque le plasma recule, l'injection de gaz commandée par la densité de bord peut compenser la dégradation du couplage. Les premières expériences réalisées en 2026 montrent un effet positif du contrôle de la densité de bord sur le couplage ; le rayon de mesure et le point d'injection influencent la réponse. Les résultats restent préliminaires.
Cette thèse démontre ainsi, pour la première fois sur tokamak, un contrôle en boucle fermée basé sur la réflectométrie mode X. Le diagnostic combine information locale de densité et position absolue dans les contraintes temps réel du contrôle plasma. Cette approche ouvre des perspectives pour le contrôle conjoint de la densité, de la position et des gradients de bord, ainsi que pour l'optimisation du couplage des systèmes de chauffage et le développement de diagnostics de contrôle robustes pour les futures machines de fusion. Cette approche offre une base solide pour le contrôle du plasma en fusion.
Thesis resume
Controlling plasma density and position is a major challenge for the development of future fusion reactors. On the WEST tokamak, density control relies mainly on the interferometry diagnostic, which provides a line-integrated density but no spatial information. Microwave reflectometry, in contrast, can measure the radial electron density profile and provide local density and plasma position information. This thesis investigates and demonstrates the use of X-mode reflectometry as a real-time diagnostic integrated into the WEST Plasma Control System (PCS).
The diagnostic investigated is the DREFRAP edge reflectometer, operating in the W-band from 75 to 115 GHz. In X-mode, the cutoff frequency depends on both the electron density and the magnetic field, making it possible to evaluate the plasma radial position. The existing system, designed for post-discharge reconstruction and requiring about 100 ms per profile, was adapted to real-time operation for the 1 ms WEST PCS cycle.
A new real-time diagnostic, DREFRT1, was developed using the Nectarine acquisition board. The in-phase and quadrature signals are digitized and processed on a dedicated computer for transmission to the PCS. The reconstruction algorithm was adapted for real-time operation. The plasma edge is identified from the beat frequency jump, extracted from the raw signal using a short-time Fourier transform. The density profile is then reconstructed from the time-of-flight. Implemented in C++, the algorithm achieves a processing time of approximately 600 µs per profile.
This system provides real-time density profiles from which scalar control sensors can be derived: density at a fixed radial position, density relative to the plasma boundary, and the position of a selected isodensity surface. These sensors were integrated into the WEST control loops. Density control at a fixed radius using reflectometry was validated with performance comparable to standard interferometry control. It remains stable during radial plasma displacement, demonstrating control of local density at an absolute radial position.
X-mode reflectometry was also used for plasma position control. A first experiment revealed an instability caused by too important measurement latency. After reducing the filtering, a 6 cm radial translation was achieved without control instability. After optimization, latency was around 5 ms for position and 20 ms for density, compared with 40–60 ms for interferometry.
An extension towards the plasma core was investigated by combining the W-band X-mode measurements with V-band O-mode reflectometry. However, O-mode measurements remain strongly affected by noise, multiple reflections, and signal attenuation. The real-time transition between modes is therefore not yet robust enough for reliable control.
Finally, X-mode reflectometry was applied to the control of ion cyclotron resonance heating (ICRH) coupling. When the plasma moves inward, gas injection controlled using the edge-density measurement can compensate for the resulting degradation of antenna coupling. Preliminary experiments performed in 2026 show a positive effect of edge-density control on ICRH coupling, with the measurement radius and gas injection location influencing the response. The results remain preliminary and do not yet separate the contributions of all experimental parameters.
This thesis therefore demonstrates, for the first time on a tokamak, closed-loop plasma control based on X-mode reflectometry. The diagnostic combines local density information and absolute plasma position within real-time plasma-control constraints. This approach opens perspectives for the simultaneous control of density, plasma position and edge density gradients, as well as for the optimization of RF heating coupling. More broadly, it supports robust real-time diagnostics and control strategies for future fusion devices.