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

Abstract

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 cœur 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 rovibrationnellement 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