Experimental study of negative ions current production applied to controlled thermonuclear fusion by use of spectroscopic techniques and comparison of the experimental results with a numerical model
Etude expérimentale de la production d'un courant d'ions négatifs appliquée à la fusion thermonucléaire contrôlée par utilisation de techniques spectroscopiques et confrontation des résultats expérimentaux à un modèle numérique
Résumé
The present Phd thesis is an input within the frame of ITER and DEMO projects, which aim to control nuclear fusion reactions. To maintain fusion reactions in a tokamak (i.e. Fusion machine), the plasma fusion should be constantly heated. One of the heating methods used, is the so-called Neutral Beam Injection (NBI). This technique involves the creation of negative ions in an external cold plasma source; after being extracted, they will be accelerated, neutralized, before being injected into the fusion reactor. Negative hydrogen ions are created on surfaces and / or in volume. The surface mechanisms require cesium injection, which could contaminate the accelerating stage, and could lead to voltage disruptions. This thesis aims to improve the production of negative ions, in cesium-free plasma. For this purpose, the ROSAE-III (ecR hydrOgen plaSma for neutrAl bEam) reactor has been developed and designed by the PMN team of the LPSC. This multi-dipolar ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma reactor (2.45 GHz) favors the volume mechanisms, which, unlike the surface mechanisms, does not require cesium. A detailed study of the fundamental principles of the production of H¯ is carried out, and the different ways of optimization are explored by means of: electrostatic probes, laser photodetachment, optical emission spectroscopy in the visible range and in the VUV range and absorption spectroscopy and laser induced fluorescence (LIF) in the VUV using synchrotron radiation. Two different positions (close and far from the ECR driving zone) are investigated under various conditions of pressure and power.
Negative ions are produced in ROSAE-III, in the plasma volume by dissociative attachment (DA). This reaction requires cold electrons, and hydrogen ro-vibrationnally excited molecules H2 (X1Σg+,v’’). The advantage of ROSAE-III is the possibility to change the plasma facing materials: borosilicate glass cylinder (Pyrex TM), with low recombination coefficient (= 0.004), or moderate (~ = 0.5 for metallic surfaces). In order to increase the hydrogen ro-vibrationally excited molecules density, by recombinative desorption (RD), and consequently to generate a higher density of negative ions H¯ via DA, materials (tungsten, stainless steel, tantalum and HOPG) have been investigated. Hence, the absolute density of negative ions has been multiplied by a factor of 3.5, from 5×1013 m-3 to 17.5×1013 m-3.
The SCHEME-II source, designed to be mounted on the DESIRES beam line of the SOLEIL synchrotron, allowed us to determine the relative densities of atoms and excited molecules.
The experimental results were supported by a 1-dimensional model of the hydrogen plasma, developed at the LSPM laboratory (Villetaneuse) which confirmed our results.
La présente thèse rentre dans le cadre du projet ITER et DEMO, qui ont pour but de contrôler la fusion thermonucléaire. Pour initier les réactions de fusion au coeur du tokamak (i.e. le réacteur de fusion), il est nécessaire de chauffer le plasma de fusion. L’une des méthodes utilisées, est l’injection de neutres (IDN). Cette technique consiste à créer des ions négatifs dans une source de plasma froid extérieure ; extraire ces ions, les accélérer et les neutraliser avant de les injecter dans le réacteur de fusion. Les ions négatifs d’hydrogène peuvent être créés en surfaces et/ou en volume. Les mécanismes de surfaces requièrent l’injection du césium qui, par sa contamination de la ligne de chauffage, pose de nombreux problèmes. Le but de cette thèse, est d’améliorer la production d’ions négatifs sans utiliser le césium. Pour ce faire, le réacteur ROSAE-III (ecR hydrOgen plaSma for neutrAl bEam), a été développé et conçu par le groupe PMN du laboratoire LPSC. Ce réacteur à plasma ECR (2.45 GHz), privilégie les mécanismes de volume, qui, à l’inverse des mécanismes de surface, ne requièrent pas de césium. Une étude détaillée des principes fondamentaux de la production des H¯ est réalisée, et les voies possibles d'optimisation sont explorées au moyen de : sondes électrostatiques, photodetachment laser, spectroscopie d'émission optique dans la région spectrale du visible et de l'ultraviolet du vide (VUV) et finalement par spectroscopie d'absorption et de fluorescence induite dans la région spectrale de l'ultraviolet du vide en utilisant le rayonnement synchrotron dans un montage expérimental spécial (i.e. source SCHEME-II). L’investigation a été menée dans deux positions différente : la zone de production (proche des sources ECR), et la zone de diffusion (i.e. à 79mm en aval des sources ECR), sous des conditions de pression et puissance différentes.
Les ions négatifs sont produits dans ROSAE-III, en volume, principalement, par attachement dissociatif (AD), qui requiert des électrons froids, et des molécules d’hydrogène ro-vibrationnellement excitées H2 (X1Σg+,v’’). L’avantage de ROSAE-III, est qu’il peut abriter à sa surface interne, un cylindre en verre borosilicate (Pyrex TM), ainsi, la surface faisant face au plasma peut soit avoir un fort coefficient de recombinaison (= 0.5 pour l’inox), soit modéré (~=0.004 pour le Pyrex TM). Dans le but d’augmenter la production des molécules ro-vibrationnellement excitées, par désorption recombinative (DR), et générer par conséquence une densité supérieure d’ions négatifs H-, des matériaux (tungstène, inox, tantale et HOPG), ont été placés dans la zone de production du plasma. De cette manière, la densité absolue des ions négatifs a été multipliée par un facteur 3.5, passant de 5×1013 m-3 à 17.5× 1013 m-3.
La source SCHEME-II, conçue pour être montée sur la ligne DESIRES du synchrotron SOLEIL, nous a permis de déterminer les densités relatives d’atomes et de molécules excitées.
Les résultats expérimentaux, ont été soutenus par un modèle numérique collisionnel en 1 dimension du plasma d’hydrogène.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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