Soutenance de thèse de AFONIN Kirill
Titre de thèse
Etude du transport de poudres de bore injectées dans les plasmas du tokamak WEST et de son effet sur les performances
Study of the transport of boron powders injected in the WEST tokamak and its effect on plasma performance
Résumé de la thèse
Avec le passage d'ITER à des composants en tungstène (W) orientés vers le plasma (Plasma-Facing Components, PFC), l'étude des techniques de conditionnement des murs devient un sujet important pour obtenir des plasmas de fusion à haut rendement. Le conditionnement des murs dans les tokamaks est nécessaire pour éliminer les impuretés indésirables de la chambre, qui sinon entraîneraient une augmentation des pertes radiatives et une dilution du combustible, ce qui réduirait le rendement énergétique de la fusion. Une nouvelle technique de conditionnement actuellement à l'étude est la boronisation par injection de poudre de bore (B) à l'aide d'un dispositif d'injection de poudre d'impureté (Impurity Powder Dropper, IPD). La boronisation à l'aide d'un dispositif IPD est réalisée en faisant tomber de la poudre de B pendant une décharge de plasma, où la poudre de B est évaporée, les atomes de B sont ionisés et se déposent ensuite sur les PFC. Cette méthode est une alternative à une technique de conditionnement établie appelée boronisation par décharge luminescente (Glow Discharge Boronization, GDB), où le B est injecté sous forme de gaz diborane (B2D6) dans une décharge luminescente entre des électrodes chargées positivement et des murs de tokamak chargés négativement. Le B de B2D6 est ionisé et déposé sur les murs, où il piège les impuretés légères, par exemple l'oxygène (O) qui est introduit dans la chambre pendant l'aération de la machine ou par des micro-fuites inévitables. Les avantages de la GDB sont bien connus, et la boronisation via des injections IPD est étudiée comme une alternative avec un effet similaire mais avec un certain nombre d'avantages : l'injection peut être effectuée à la demande sans interrompre le fonctionnement du tokamak et ne nécessite pas l'utilisation de B2D6 toxiques et corrosifs. Cette thèse tente d'étendre la recherche existante sur l'étude du B dans les impulsions avec des injections IPD dans deux directions : la partie expérimentale, où des expériences avec un appareil IPD installé sur le tokamak en environnement de tungstène à l'état stable (W Environment Steady-State Tokamak, WEST) sont réalisées pour tenter de maximiser la quantité de B injecté et les effets pendant et après les injections sont étudiés, et la partie numérique, où les décharges WEST avec IPD sont simulées à l'aide de modèles numériques pour interpréter les résultats expérimentaux et obtenir un aperçu du transport du B injecté.
Thesis resume
With ITER transitioning to tungsten (W) plasma-facing components (PFCs), study of wall conditioning techniques becomes an important subject for achieving high-yield fusion plasmas. Wall conditioning in tokamaks is necessary to remove unwanted impurities from the vessel, which otherwise would lead to increased radiative losses and fuel dilution, lowering the fusion energy yield. A novel conditioning technique that is currently being studied is boronization via boron (B) powder injection with an Impurity Powder Dropper (IPD). Boronization with an IPD device is performed by dropping B powder during a plasma pulse, where B powder is evaporated, B atoms are ionized and subsequently deposited on the PFCs. This method acts as an alternative to an established conditioning technique called Glow Discharge Boronization (GDB), where B is injected in form of diborane gas (B2D6) into a glow discharge between positively-charged electrodes and negatively-charged tokamak walls. B from B2D6 is ionized and deposited onto the walls, where it traps the light impurities, e.g. oxygen (O) which is introduced into the vessel during the vent of the machine or through unavoidable micro-leaks. Benefits of GDB are well-known, and boronization via IPD injections is being studied as an alternative with a similar effect but with a number of upsides: the injection can be performed on-demand without interrupting tokamak operation and does not require the usage of toxic and corrosive B2D6. This thesis attempts to extend the existing research of B study in pulses with IPD injections in two directions: the experimental part, where experiments with an IPD device installed on W Environment Steady-State Tokamak (WEST) are performed in an attempt to maximize the amount of B injected and the effects during and after the injections are studied, and the computational part, where WEST pulses with IPD are simulated using computational models to interpret the experimental results and gain insight into the injected B transport.