Réflectométrie Doppler sur les grands tokamaks européens

Pour diagnostiquer finement les processus turbulents dans les plasmas magnétisés, l’équipe a développé des méthodes non perturbatives et versatiles, adaptées à l’environnement difficile d’un tokamak. Elles sont fondées su la diffusion d’ondes électromagnétiques (laser, micro-onde) pour sonder la turbulence, ses échelles spatiales, et sa dynamique temporelle en traquant les fluctuations par effet Doppler (voir schéma de principe en figure 1).

Figure 1. Vue schématique de la propagation du faisceau sonde dans le plasma magnétisé du tokamak et de la rétrodiffusion vers l’antenne sur les fluctuations, alignées le long des lignes de champ et telles que leur nombre d’onde perpendiculaire vérifie k_i = - 2 k_s.

L’inclinaison du faisceau sonde permet de sélectionner le nombre d’onde k  (ou l’échelle spatiale   ) des fluctuations et la fréquence de l’onde la localisation dans le plasma, la diffusion étant exacerbée au voisinage de la couche de coupure. L’utilisation d’antennes mobiles donne accès au spectre en nombre d’onde de la turbulence dans une gamme spectrale k 3 à 20 cm -1 ->k i 0.5 à 3. Des sources agiles couvrant des gammes de fréquence sonde étendues (typiquement bande millimétrique V, W) permettent de couvrir une large zone externe du plasma. La détection hétérodyne garde l’information sur la dynamique et donne accès à la vitesse des fluctuations, par le décalage Doppler des spectres rétrodiffusés ou des analyses temps-fréquence.

Figure 2. Vue schématique du boitier RF de WEST, combinant deux polarisations Ordinaire et eXtra-ordinaire, en bande V et W respectivement.

L’équipe a construit et implanté plusieurs déclinaisons de ces instruments sur 3 grands tokamaks en Europe, dans le cadre de collaborations nationales (IRFM, CEA, Cadarache) et européennes (IPP Garching, Helmholtz Virtual Institute 2012-2020, EPFL Lausanne, EUROfusion) :

WEST à Cadarache,
ASDEX Upgrade à Garching (Allemagne)
TCV à Lausanne (Suisse)

Grâce à sa capacité à caractériser simultanément écoulements et fluctuations résolues en k, le DBS est un diagnostic très riche en informations pour l’étude des interactions turbulence-flots : vitesse de dérive ExB (ou champ électrique radial) d’équilibre et oscillant ; structure spatiale de la turbulence à petite et grande échelle, par le spectre en nombre d’onde et la longueur de corrélation radiale des fluctuations ; identification du régime turbulent, par l’asymétrie et l’inclinaison moyenne des structures turbulentes ; effets non locaux ; développement des filaments et bouffées intermittentes au bord du plasma.

L’équipe a coordonné des expériences au niveau européen (WPMST1 devenu WPTE) pour l’étude de la formation du champ électrique radial et l’effet isotopique ; elle coordonne et participe aux expériences dans nombre d’études menées en collaboration avec des équipes partenaires dans le programme interne de chaque machine ou le programme européen, qui ont donné lieu à une trentaine d’articles entre 2018 et 2023.