Études théoriques et de simulations dédiées à la conception et l'application, pour les tokamaks, de diagnostiques synthétiques de réflectométrie Doppler

La turbulence du plasma est considérée aujourd'hui comme le mécanisme responsable du transport anormal induisant la dégradation du confinement de l'énergie des plasmas de fusion confinés magnétiquement, tels que les tokamaks. Le temps de confinement de l'énergie est un paramètre crucial pour atteindre un rendement énergétique positif. La maîtrise de ce paramètre passe la compréhension et le contrôle de la turbulence du plasma. Ces thèmes de recherche correspondent actuellement aux principaux objectifs de la recherche sur la fusion par confinement magnétique. Pour réaliser l'étude de la turbulence plasma, des outils expérimentaux capables de fournir ses caractéristiques sont nécessaires. Ces outils comprennent les diagnostics par micro-ondes et, en particulier, la réflectométrie Doppler et la réflectométrie de corrélation radiale Doppler. Bien que ces diagnostics non invasifs bénéficient d'une configuration simple, il existe un certain nombre de problèmes non résolus associés à l'interprétation des données expérimentales. Des problèmes tels que la diffusion aux petits angles et les effets de courbure du plasma limitent le champ d'application d'une interprétation simple des mesures. La prise en compte des effets de diffusion non linéaire rende l'interprétation standard inapplicable. Ces problèmes nécessitent de valider l'interprétation des données expérimentales. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse était de créer un diagnostic de réflectométrie Doppler synthétique et de réflectométrie de corrélation radiale Doppler pour l'interprétation des résultats expérimentaux du tokamak FT-2. Cet objectif fut atteint en appliquant le code full-wave IPF-FD3D aux résultats d'une modélisation gyrocinétique du plasma turbulent avec le code ELMFIRE pour obtenir les signaux synthétiques. Ces derniers sont ensuite comparés avec des mesures expérimentales. Le diagnostic synthétique est également utilisé pour une étude plus générale de la contribution des effets non linéaires lors des mesures expérimentales. Un objectif secondaire de cette thèse correspondait à une recherche analytique sur les effets de courbure du plasma et de la diffusion non linéaire puis sur une nouvelle technique pour la caractérisation des structures turbulentes. L'étude analytique basée sur les premiers principes a été réalisée en considérant l'équation de Helmholtz et en obtenant une expression analytique pour les signaux expérimentaux. Les résultats pour ces deux derniers sujets ont été validés numériquement avec l'utilisation partielle d'un modèle numérique linéaire spécialement développé pour ce type d'études et du code IPF-FD3D.Plasma turbulence is nowadays believed to be responsible for the anomalous transport and consequently the degradation of discharge conditions in magnetic confined fusion devices, such as tokamaks. Since a good energy confinement time is crucial for achieving a positive energy yield, understanding and control of turbulent processes is currently one of the major goals of the Magnetic Confinement Fusion research. To study the plasma turbulence, experimental tools that are able to provide information about its characteristics are necessary. Such tools include microwave diagnostics and, in particular, Doppler reflectometry and radial correlation Doppler reflectometry. While these non-invasive diagnostics benefit from the simplicity of the setup, there are a number of unresolved issues when it comes to the interpretation of the experimental data. Issues such are small-angle scattering and plasma curvature effects limit the range of applicability of the simple interpretation of the measurements, while nonlinear scattering effects make it inapplicable altogether. These problems make it necessary to validate the interpretation of experimental data. Thus, the primary goal of this thesis was to create a synthetic Doppler reflectometry and radial correlation Doppler reflectometry diagnostic for the interpretation of the FT-2 tokamak experimental results. This goal is achieved by applying full-wave IPF-FD3D code to the results of gyrokinetic plasma modelling with ELMFIRE code to obtain the synthetic signals, which are then benchmarked with experimental measurements. The synthetic diagnostic is also used for a more general study of the possibility of nonlinear effects influencing the experimental measurements. Finally, the secondary goal of this thesis was to perform an analytical research of plasma curvature effects, nonlinear scattering and a novel technique for turbulence structures’ characterization. The first principles analytical study was performed by considering the Helmholtz equation and obtaining an analytical expression for the experimental signals. The results for the latter two topics were numerically validated with the partial use of specially developed linear numerical model and the full-wave IPF-FD3D code