Nous allons ici aborder la question de l’apparition des points chauds (figure II.31) sur les coins des antennes ICRF lors de leur utilisation. Ce phénomène fortement limitatif a été observé, par des caméras infrarouges, sur Tore supra dans le cadre des décharges de longue durée [Faudot2006]. Qu’est ce qui peut ainsi modifier et accroître l’énergie des particules qui arrive sur ces coins de l’antenne ?
Figure II.31 : points chauds observés par imagerie infrarouge sur l’antenne ICRF de Tore Supra pour des
orientations inversées du champ magnétique Bo . (a) le point chaud apparaît dans le coin inférieur droit de l’antenne. (b) le point chaud apparaît dans le coin inférieur gauche de l’antenne. (image CEA)
Les explications sont données par la création de gaines RF par les champs proches devant l’antenne [Colas2005] [Faudot2006]. En effet, la rectification par les gaines RF a été identifiée comme l'un des mécanismes capables d'induire une augmentation du flux de chaleur (Eq II.94) déposé sur la structure de l'antenne, d'une part et d'autre part de générer de forts potentiels rectifiés continus DC (section II.6.4) devant l’antenne. Ces potentiels DC, dont l’ordre de grandeur est celle de l’amplitude du potentiel RF, peuvent dépasser 1000V. Ils sont capables d’accélérer les ions du plasma vers l’antenne et de générer des cellules de convection
[Becoulet2002] (dérive de typeE∧B) juste devant celle-ci. Ces cellules sont susceptibles de modifier la densité devant les antennes [Becoulet2002] [Colas2005]. Elles font également circuler le plasma vers le haut ou le bas de l’antenne en fonction du sens du champ magnétique et sont ainsi à l’origine de points chauds aux coins supérieurs ou inférieurs de l’antenne RF [Colas05]. Ceci a été observé expérimentalement sur Tore Supra lorsque le changement d’orientation du champ magnétique a fait basculer la position du point chaud du coin inférieur droit au coin supérieur gauche de l’antenne. Le calcul des cartes de potentiels rectifiés DC montre que dans les parties supérieure et inférieure de l’antenne une part substantielle du champ électrique parallèle existe [Colas2006], les courants dans la structure d'antenne sont aussi à l'origine du champ parallèle. Celle-ci est causée par l’inclinaison des lignes qui les empêche de parcourir le même chemin devant les straps qui créent alors sans compenser ces champs électriques. Les forts potentiels DC qui en découle vont accélérer et faire converger les flux de particules vers les bords de l’antenne.
s s DC bohm chaleur
eV
c
n
eV
Q
//=Γ .( )=
0.
Eq II.94Nous avons ici parlé et décrit les points chauds observés sur la structure des antennes ICRF. Des points chauds apparaissent également à d’autres endroits de la paroi interne du tokamak comme le montre la figure II.32 (e.g : pertes ripples sur la face interne supérieure). Parmi ces endroits, on peut notamment citer l’entrée des queusots qui permettent l’introduction d’outils de diagnostic dans le tokamak. Ces points chauds demeurent liés aux flux de particules énergétiques et à la rectification du potentiel du plasma par la gaine
[Colas2005] [Colas2006].
Figure II.32 : Autres points chauds observés sur la paroi interne de Tore Supra. (Image CEA)
II.7 Conclusion
Ce chapitre a permis d’introduire les notions importantes que nous allons employer dans les chapitres suivants. La compréhension de la physique du plasma de bord, de la SOL, et de la polarisation du plasma devant les parois par les gaines est essentielle pour le développement de la physique des gaines RF, notamment pour l’établissement et la résolution analytique des modèles qui seront établis dans le chapitre III. Ces modèles nous permettront de comprendre l’apparition de courant DC sur les structures d’antenne ICRF et certaines mesures de sondes menées dans les tokamaks.
La SOL est ainsi la zone, centimétrique, située entre la paroi interne d’un tokamak et la dernière surface magnétique fermée. Les lignes magnétiques qui s’y trouvent sont alors connectées à cette paroi, elles vont d’ailleurs y conduire des particules chargées du plasma. La densité dans cette zone de perte pour le plasma va décroître de manière importante. Au bord de l’enceinte va apparaître, sur quelques longueurs de Debye, une fine couche chargée essentiellement d’ions appelée gaine. Celle-ci sépare tout plasma de l’enceinte qui le contient. Elle provient de la différence d’inertie entre les ions et électrons qui, beaucoup plus mobiles, sont collectés bien plus vite par la paroi qui se charge alors négativement et permet l’établissement d’une charge d’espace positive. Subséquemment la caractéristique courant-tension est fortement non-linéaire. Lorsque la gaine s’établit et donc que les flux ionique et électronique s’équilibrent, le plasma se trouve polarisé (par rapport à la paroi) au potentiel dit flottant. En présence d’un potentiel RF d’amplitude V , la dynamique du potentiel de la gaine 0
va être fortement modifiée. La gaine, qui devient RF, rectifie dans le plasma le potentiel RF qui lui est imposé de l’extérieur. L’effet principal est l’établissement d’un potentiel DC qui est la moyenne du potentiel RF sur une période ICRF. La valeur de ce potentiel rectifié DC peut atteindre V0/2 pour un tube de flux excité, avec une tension RF, de manière symétrique et V 0
pour une sollicitation RF asymétrique. C’est la dynamique parallèle des particules qui régit ce processus de rectification. La prise en compte des échanges de courant dans la direction transverse conduit à une modification de cette rectification. C’est ainsi que l’ajout des courants de polarisation échangés entre les tubes de flux, connectées aux bumpers d’une antenne RF, accroît la valeur du potentiel rectifié. Les fortes structures de potentiel DC, ainsi créés, seront à même d’accélérer et de dévier les flux de particules sur la structure d’antenne. La conséquence de cela est l’apparition de points chauds aux coins de l’antenne mais aussi de courants DC circulant le long des lignes de champ. Afin d'éviter ces flux de chaleurs il est nécessaire de diminuer les potentiels rectifiés devant les antennes et d'étudier leur dynamique et comment elles interagissent avec le plasma. D'autre part il est important de connaître les courants DC circulant le long des lignes de champ connectées aux antennes pour faire des mesures de sonde fiable.