Soutenance de thèse de SCHOONHEERE Nathan
Titre de thèse
Interaction entre électrons découplés et plasmas froids : application à l'amortissement des disruptions des plasmas de tokamaks.
Interaction between runaway electrons and cold plasmas: application to disruption mitigation in tokamaks
Résumé de la thèse
Les disruptions dans les plasmas de tokamak sont des instabilités globales soudaines, caractérisées par la perte brutale du confinement du plasma en quelques millisecondes. La libération abrupte de l'énergie thermique et magnétique du plasma peut engendrer des conséquences importantes, notamment la génération d'électrons à haute énergie dits « runaway » (RE). Ces RE, pouvant transporter la majorité du courant plasma, peuvent provoquer d'importants dégâts, voire la fusion des composants face au plasma. Les tokamaks tel ITER s'approchant de plus en plus des conditions d'une centrale à fusion, avec des courants de plasma de plus en plus élevés, la suppression complète des RE lors des disruptions ne peut être garantie. Si l'évitement s'avère impossible, des injections massives de gaz légers (hydrogène, deutérium) se sont révélées efficaces pour amortir des faisceaux de RE, sans dommages ni charges thermiques significatives. Cette terminaison bénigne est rendue possible grâce à deux mécanismes clés : une forte instabilité MHD qui élargit la zone de dépôt des RE, et une réduction de la régénération des RE. Cette méthode est prometteuse, mais une compréhension détaillée de ses mécanismes est essentielle pour évaluer son applicabilité aux faisceaux de RE dans ITER et des futurs tokamaks.
Cette thèse examine les limites opérationnelles de la terminaison bénigne dans le tokamak JET, où la recombinaison partielle du plasma compagnon, un plasma froid et peu dense coexistant avec les RE est essentielle. Elle est déterminée par l'équilibre de puissance entre les collisions par les RE et la dissipation thermique du deutérium via le transport de neutres et le rayonnement. Une injection suffisante de deutérium est nécessaire, dont la quantité dépend de la teneur en impuretés et de la densité de courant des RE. Pour garantir une terminaison bénigne, il est essentiel de maintenir ces pendant toute la durée du plateau de RE afin d'éviter une reionisation. Des charges thermiques significatives peuvent malgré tout se produire lorsque la concentration d'impuretés est trop importante. Bien qu'une quantité suffisante de gaz à faible Z soit nécessaire pour permettre la recombinaison, une fois celle-ci obtenue, ce sont les impuretés restantes qui déterminent la régénération des RE et les charges thermiques associées. Cet effet est particulièrement critique pour les courants de RE élevés.
Une partie du bilan de puissance du plasma compagnon est déterminée par les pertes par rayonnement de raie, mesurées à l'aide de bolomètres. Sur JET, toutefois, des augmentations de la puissance rayonnée de plusieurs mégawatts ont été observée suite aux injections massives, malgré la recombinaison du plasma. Nous montrons que les injections massives de matière peuvent perturber les bolomètres de JET, entraînant des mesures erronées de puissance rayonnée allant jusqu'à 8 mégawatts. Un modèle de conductivité thermique est développé pour démontrer qu'à des pressions supérieures à 0,1 Pa, l'augmentation de la conduction par le gaz peut générer un signal interprété à tort comme une puissance rayonnée.
Les conditions de recombinaison sont explorées à l'aide du code DREAM, qui modélise cinétiquement les RE à partir d'une distribution d'avalanche, et fait évoluer le plasma compagnon de manière auto-cohérente. Les états de charge ioniques tiennent compte des taux d'ionisation thermique, de recombinaison (ADAS) et d'ionisation par impact des RE. Comme en expérience, une densité minimale de deutérium est requise pour atteindre les températures de recombinaison. Cependant, la densité d'électrons libres reste largement surestimée, ce qui suggère l'importance d'éléments manquants dans le code, tels que la physique moléculaire et une extension du domaine de simulation au-delà de la séparatrice. L'ionisation par impact des RE et l'opacité des émissions de raie du deutérium jouent un rôle important dans les dynamiques de recombinaison.
Thesis resume
Disruptions in tokamak plasmas are sudden global instabilities characterised by the sudden loss of plasma confinement within milliseconds. The abrupt release of the plasma's stored thermal and magnetic energy can lead to severe consequences, including intense heat loads, large electromagnetic forces, and the generation of highly energetic electrons called runaway electrons (RE). These REs can carry a substantial fraction of the plasma current and, upon impact with the wall, cause severe damage and even melting of plasma-facing components. As tokamaks, such as ITER, approach fusion power plant conditions with increasingly high plasma currents, their complete suppression during disruptions cannot be guaranteed. If avoidance proves impossible, massive low-Z injections (deuterium, hydrogen) have been shown to be effective at mitigating RE beams with currents of the order of the megaampere, with no damage or significant heat loads. This benign termination is enabled by two key mechanisms: a large-scale MHD instability broadening the RE wetted area and a reduction of the RE regeneration. The benign termination scheme shows promise, but a detailed understanding of its mechanisms is essential to assess its applicability to RE beams in ITER and future tokamaks.
In this thesis, we explore the operational limits of the benign termination in the JET tokamak. To achieve a benign termination, the partial recombination of the so-called companion plasma, the cold plasma coexisting with the REs, is essential. This recombination is dictated by the power balance between heating from RE collisions and the heat dissipation of the low-Z atoms by neutral transport and radiation. Recombination requires a sufficiently large low-Z injection to offset this balance, which depends on the impurity content and on the RE current density. To guarantee a benign termination, maintaining the recombination conditions throughout the duration of the RE plateau is essential to avoid reionisation. Notably, even recombined mitigated RE beams lead to significant heat loads, and the severity of the impact depends upon the impurity content remaining within the companion plasma. While a sufficient amount of low-Z gas is necessary for recombination, once this is achieved, the remnant impurities determine the runaway regeneration and resulting heat loads. This effect is of particular importance for high RE currents.
Part of the power balance of the companion plasma is determined by the power loss through line radiation, measured with bolometers. On JET, however, this power was seen to increase by several megawatts following the massive low-Z injection despite the recombination of the plasma, where radiation is expected to be low. We show that massive material injections can affect the resistive bolometers on JET, resulting in spurious radiated power measurements of up to 8 megawatts. We employ a thermal conductivity model to demonstrate that the bolometers, nominally operating in near-vacuum, suffer from the additional cooling by conduction at neutral pressures above 0.1 Pa, causing a signal erroneously interpreted as radiated power.
The recombination conditions are explored using the DREAM code, which models REs kinetically from an avalanche distribution and evolves the companion plasma self-consistently. Ion charge states account for thermal ionization, recombination (from ADAS), and RE impact ionization rates. As observed experimentally, a minimum deuterium density is required to reach recombination temperatures. As observed in experiments, A minimum low-Z density is required to reach recombination temperatures. The free electron density, however, remains largely overestimated, hinting at the importance of missing elements in the code, such as molecular physics and a simulation domain extending past the last closed flux surface. RE impact ionisation and opacity to deuterium line emissions are found to play an important role in the recombination dynamics.