Soutenance de thèse de Arvydas SEPETYS

Afin d’assurer un fonctionnement contrôlé des tokamaks, il est nécessaire de comprendre les mécanismes responsables de la contamination du plasma confiné d'isotopes d'hydrogène par des impuretés. Ceci est particulièrement critique pour les impuretés lourdes telles que le tungstène (W), qui ne sont pas entièrement ionisées dans le cœur du plasma et peuvent donc être responsables de pertes radiatives importantes. WEST - W Environment in Steady-state Tokamak - est conçu pour produire des décharges longues, et exposer à ces décharges des composants de paroi de technologie identique à celle choisie pour ITER. Le fonctionnement optimal des décharges exige de surveiller les sources de tungstène et de caractériser comment les atomes de tungstène érodés sont transportés à travers les zones périphériques du plasma jusqu’au plasma confiné. L'une des questions clés est d'identifier les sources dominant la contamination, afin de permettre l'optimisation des scénarios pour réduire la quantité de tungstène présente dans le cœur. Dans ce travail, nous nous appuyons sur des mesures spectroscopiques dans les gammes spectrales visible et VUV pour caractériser les impuretés dans les plasmas de WEST, et utilisons plusieurs codes de modélisation (Soledge2D-EIRENE et ERO2.0) pour étudier la cohérence des données expérimentales disponibles, provenant de divers diagnostics (sondes, thermocouples, ...). Nous utilisons l'intensité des raies, mais nous présentons également une étude détaillée des profils de raies de tungstène neutre. Un code Monte Carlo a été spécifiquement développé pour simuler ces profils de raies et mettre en évidence les effets des paramètres du plasma et des hypothèses de modélisation. Nous montrons que l'analyse spectrale des profils de raies, couplée à d'autres diagnostics, peut fournir des informations sur la charge ionique incidente moyenne, et sur les températures ionique et électronique. La forme de la raie est plus sensible à des changements des paramètres plasma que le déplacement du centre de la raie. Les paramètres obtenus à partir de l'analyse de la forme de raie permettent de contraindre d’avantage les simulations Soledge2D-EIRENE et donc de fournir des résultats plus fiables. Cependant, la mesure du profil de raie du tungstène neutre dans le visible nécessite un spectromètre à haute résolution (avec un pouvoir de résolution d'environ 400 000), qui n'est pas disponible actuellement sur WEST. Afin de mieux comprendre les voies de contamination sur WEST, ce travail présente les premières modélisations à l'aide du code ERO2.0. Ce dernier utilise le plasma de fond généré par Soledge2D-EIRENE comme entrée, où le transport radial est ajusté de sorte que ce plasma calculé soit compatible avec les diagnostics disponibles. Le transport du tungstène est ensuite calculé dans une approche cinétique et dans l'approximation d’impureté trace, sur ce plasma de fond, en résolvant les trajectoires des particules en 3D. Cet outil permet de générer des cartes de distribution des particules de W érodées et d'étudier comment différents éléments de paroi (limiteur d'antenne, divertor bas, etc.) contribuent au champ de densité de W. Les simulations ERO2.0 ont été réalisées avec différents éléments de paroi "désactivés" en tant que sources d'impuretés, permettant ainsi de déterminer quantitativement l'élément de paroi contribuant le plus à la contamination du plasma confiné pour un scénario donné. Ceci a été effectué pour plusieurs valeurs du coefficient de diffusion radiale, car ce dernier est mal connu et peut changer de manière significative le transport dans les couches externes du plasma. Aucune raie du W pertinente n'a pu être observée dans les spectres VUV disponibles sur WEST, mais le molybdène peut être utilisé en première approximation pour l'analyse du transport du W. Les calculs ERO2.0 sont en accord qualitatifs avec les informations expérimentales disponibles sur la localisation de l’émissions de l’ion Mo4+ dans le plasma.

Understanding the mechanisms responsible for the contamination of magnetically confined hydrogen isotopes plasma by impurities is necessary to achieve sustainable and controlled operation of tokamaks. This is especially critical with heavy impurities such as tungsten (W), which are not fully ionized in the plasma core and are thus responsible for potentially large radiative losses. WEST - W Environment in Steady-state Tokamak - is designed to operate long plasma discharges thanks to its super-conducting coils, exposing plasma facing components designed on the technology chosen for ITER. Optimal operation of these components requires to monitor tungsten sources and characterize how eroded tungsten atoms get transported across the scrape off layer into the confined plasma. One of the key questions is to identify the sources driving the contamination, so as to allow scenario optimizations to reduce W ingress in the core. In this work, we rely on spectroscopic measurements in visible and VUV spectral ranges to characterize impurities in WEST plasmas, and use several modeling codes (Soledge2D-EIRENE and ERO2.0) to investigate the consistency of available experimental data from various diagnostics (probes, thermocouples, …). We make use of line intensities, but also present a detailed study of the line shape of neutral tungsten lines. A Monte Carlo code was specifically developed to simulate how spectral line shape would change with plasma parameters and modeling assumptions. We show that the spectral line shape analysis, when coupled with other diagnostics, can yield information about basic plasma parameters (average incident ion charge, electron and ion temperatures). The model indicates that the line shape is more sensitive to the change of plasma parameters than the line shift. Together with visible and VUV spectroscopy the parameters obtained from line shape analysis can help constraining the Soledge2D-EIRENE simulations therefore providing more reliable simulation results. However, line shape measurements for tungsten in the visible requires a high resolution spectrometer (with a resolving power of ~ 400000), which is not currently available on WEST. In order to better understand W contamination pathways, this work presents the first attempts to model WEST plasmas using the ERO2.0 code. The latter uses Soledge2D-EIRENE generated background plasma as an input, where the radial transport is adjusted so that the plasma background is consistent with available diagnostics. Tungsten transport is then followed kinetically and in the trace approximation on this background allows to fully resolve particle orbits in 3D. This tool allows one to generate poloidal distribution maps of eroded W particles and investigate how different source areas (antenna limiter, lower divertor, etc.) influence the poloidal W density field. ERO2.0 simulations were carried out with different wall elements "turned off" as impurity sources, therefore allowing to quantitatively determine the wall element contributing the most for the confined plasma contamination for a given scenario. This was performed for several radial diffusion coefficient values as it is known to significantly change the transport behavior in the scrape off layer. No relevant W line has been observed in the available VUV spectra, but molybdenum can be used as a proxy for W transport analysis. ERO2.0 calculations show a qualitative agreement with the experimental information on the location of Mo4+ emissions in the plasma.