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L’analyse
du rayonnement a traditionnellement joué un rôle privilégié dans l’étude
des atomes émetteurs et de leur environnement. Cette méthode a été
utilisée pour diagnostiquer aussi bien des plasmas astrophysiques que
ceux de laboratoire car l’intensité et la forme des raies spectrales
conservent l’empreinte des conditions physiques qui affectent l’émetteur.
Dans une machine comme ITER on estime qu’une part importante du flux de
puissance tombant sur la paroi, sera évacuée par le rayonnement. De ce
fait le spectre des isotopes de l’hydrogčne et celui des traces
d’atomes plus lourds libérés par la paroi représentent une donnée
expérimentale essentielle dont l’examen permet de décrypter les propriétés
physiques de la zone froide et dense située entre le plasma thermonucléaire
et la paroi. Quelles sont les informations que l’on peut espérer
obtenir par ce biais ? Elles concernent principalement
l’interaction avec la paroi, le transport des particules et du
rayonnement et la turbulence de bord.
Au
voisinage de la paroi, le plasma est un milieu hors d’équilibre. En
effet, bombardée par des flux importants, la paroi relâche dans le
plasma des molécules et des atomes froids qui vont ensuite se dissocier
et s’ioniser. Ce milieu rayonne fortement, mais pour certaines
transitions atomiques, il devient optiquement épais et une partie
importante du rayonnement se retrouve piégée dans le plasma. En parallčle
ce plasma est connu pour ętre fortement turbulent. Les différents
aspects de cette physique sont pris en compte dans des modčles numériques
qui utilisent les données fournies par les codes de spectroscopie. La collaboration
avec l’université de Provence fait appel ŕ l’expertise du
laboratoire PIIM
en ce qui concerne la modélisation détaillée des processus atomiques
pertinents dans un plasma de fusion. Il s’agit d’une part de la réalisation
de codes permettant de calculer un profil spectral en tenant compte de
différentes contraintes extérieures (champs électriques, magnétiques
et mouvements de l’émetteur) et d’autre part de codes de transport
collisionnel-radiatif qui calculent l’intensité des raies.
L’identification des réactions
physiques ŕ l’origine de la présence dans le plasma de source de
particules est une étape importante pour comprendre la tenue d’une
paroi exposée ŕ des hauts flux. Dans de nombreux Tokamaks comme TEXTOR
ou TORE-SUPRA, l’analyse spectrale des
raies de l’hydrogčne, en particulier celles de la série de Balmer de
faible nombre quantique, ou des raies de carbone émises dans le visible,
montre que les effets Doppler et Zeeman sont les deux principaux mécanismes
responsables de l’élargissement et du déplacement de ces raies. La modélisation
du profil des raies Balmer a et des raies du carbone, omniprésentes
lorsque la paroi est en carbone, a révélé que plusieurs populations
atomiques pouvaient cohabiter avec des énergies différentes. L’analyse
des raies de l’hydrogčne a permis d’identifier des fractions
importantes de molécules et d’atomes froids ayant une température
voisine ou inférieure ŕ l’eV. L’examen des raies du carbone a
conduit ŕ sélectionner parmi les différentes réactions responsables de
l’érosion de la paroi, les candidats les plus probables.
Le
confinement des particules alpha constitue une problématique centrale
pour un plasma en combustion. Le diagnostic de l’hélium est donc un
enjeu pour les tokamaks du futur comme ITER. Dans un plasma suffisamment
dense oů la recombinaison diélectronique est importante, l'élargissement
spectral des séries de Rydberg de l'hélium neutre est dominé par
l'effet Stark pour les raies de grand nombre quantique. La modélisation détaillée
de l’élargissement Stark donne accčs ŕ la mesure de la densité électronique
du plasma. D’autre part, la mesure des intensités des raies de
l’hélium permet d’étudier le transport de l’hélium si l’on
dispose d’un modčle collisionnel-radiatif qui prend en compte
l’influence de la turbulence et de l’échange de charge. Le modčle développé
par PIIM s’attache ŕ simuler des raies choisies ŕ l’avance pour leur
sensibilité aux conditions extérieures, comme les satellites de
recombinaison diélectronique ou les raies d’intercombinaison de l'hélium.
Ceci positionne l’outil numérique mis au point par PIIM dans une
perspective d’aide ŕ l’interprétation d’expériences sur le
transport de l’hélium.
La thématique de
l’opacité du plasma constitue un passage obligé pour modéliser le
plasma de bord d’ITER En
effet le plasma dense qui est attendu au voisinage de la paroi d’ITER
sera optiquement épais pour la raie de résonance des isotopes d'hydrogčne,
ce qui modifiera fortement l'équilibre d'ionisation-recombinaison et
pourra influencer de maničre notable la dispersion de l’énergie sur
les parois. Le profil des
raies spectrales intervient directement dans le calcul de l'opacité, ce
qui nécessite leur modélisation pour la série de Lyman de l'hydrogčne,
en présence des champs de vitesse, des champs électrique et magnétique.
PIIM développe ce modčle qui sera utilisé pour simuler le comportement
du plasma de bord d'ITER.
Enfin la collaboration avec
PIIM a permis d’obtenir des résultats originaux concernant la mesure de
la turbulence. Le plasma au voisinage de la paroi est affecté par les
fluctuations importantes (quelque dizaines de pour-cents) des champs
hydrodynamiques du plasma (densité, température, vitesse moyenne). De ce
fait le profil Doppler d’une raie, mesuré sur des échelles de temps et
d’espace plus grandes que celles associées aux fluctuations
turbulentes, est en réalité l’image d’une moyenne temporelle et
spatiale de la distribution des vitesses de l’émetteur au sein du
milieu turbulent. Une interprétation statistique de cette distribution
montre qu’elle est reliée ŕ la distribution de probabilité des
fluctuations turbulentes des variables hydrodynamiques. Ce résultat est
d’un grand intéręt potentiel car l’écart que peut présenter cette
distribution par rapport ŕ une distribution gaussienne est généralement
associé a une forme de transport intermittent caractérisé par des bouffées
de chaleur et de matičre. Un modčle analytique décrivant les
fluctuations de température ionique et leur influence sur un profil
Doppler a été développé en collaboration avec l’Université de
Floride. Une confrontation ŕ des mesures effectuées sur TEXTOR est prévue.
La collaboration s’est
illustrée par une participation des chercheurs de PIIM
aux expériences de TORE-SUPRA , de TEXTOR et JET
.
Elle a également permis de développer
des outils numériques et des modčles théoriques en collaboration avec
plusieurs laboratoires : Université de Floride
),
TEXTOR, Université de Nagoya
et Institut Kurchatov
ŕ Moscou.
Des
publications pour en savoir plus
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