警告：知识产权保护下的长期工作，托卡马克等离子体湍流系统反射计数据库的全球分析

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Cadarache磁聚变研究所（2016年4月2017年1月摘要磁约束核聚变研究希望开发一种清洁、安全和取之不尽用之不竭的基本负荷电力来源。基于热托卡马克等离子体中氢同位素轻核聚变过程中释放的能量，其性能关键取决于调节能量和粒子通过等离子体的传输众所周知，托卡马克等离子体中输运的主要贡献是由于小尺度湍流，因此理解和控制湍流输运是实现所需约束性能的关键。在托卡马克等离子体的核心区域，漂移波湍流主要由两种类型的微不稳定性引起：所谓的被困电子模式（TEM）和离子温度梯度（ITG）模式。大量的研究工作致力于了解等离子体条件变化下的湍流特性。已知等离子体的碰撞程度会影响主要的不稳定性，因为被磁井捕获在其运动中的粒子往往会被碰撞捕获。阐明这些机制是本文的主要目的之一。在各种湍流诊断工具中，反射测试是一种类似雷达的技术，在本博士工作中使用，基于检测等离子体反射的微波特性。反射测量法允许以高空间分辨率检测等离子体密度的波动特别地，标准固定频率反射计已被广泛用于提取光谱特征和相关性质。ii湍流涨落及其与微不稳定性和湍流输运的联系。在聚变科学中，大多数实验研究都是根据一组精心选择的等离子体条件进行的，并试图以受控的方式一次改变一个或几个等离子体参数，以研究对一些感兴趣的等离子体现象的影响。相反，在这项工作中，已经创建了一个来自Tore Supra托卡马克的反射计测量的大型数据库，并且已经开发了专门的工具来检测数据中在宽范围的等离子体条件下持续存在的模式。该数据库包括来自6，000次放电的350，000个光谱，这些放电处于基本欧姆操作和所谓的低限制模式（L模式）等离子体中，这些等离子体通过辅助加热系统加热。AIM旨在提取湍流性质的一般趋势，并将其与驱动湍流的微不稳定性的发生和行为联系起来，从而有助于理解等离子体湍流。为了实现这些目标，关键成分是固定频率反射计功率谱的适当量化。一个鲁棒的频谱量化方案实现了标准化，这反过来又允许本工作中设想的系统化类型。我们的Tore Supra数据库中的每个频谱被分解为四个分量：直流（DC）分量、低频（LF）涨落、宽带（BB）湍流和噪声级。对各种参数化函数进行了测试和比较，以确定在各种光谱形状和等离子体条件下具有足够鲁棒性的最佳光谱拟合。Theiii低频频谱的分量，包括DC和LF分量，由两个高斯函数拟合，并且噪声由一个常数参数拟合。BB分量表示频域中湍流的能量分布，并且可以呈现各种形状（高斯-西安、洛伦兹等）。在不同的血浆条件下。 对于BB分量，使用大量光谱对三种不同的拟合模型（广义高斯-西安、Voigt和Taylor）进行了定量比较。这表明广义高斯（GG）模型的出色性能，其次是泰勒模型。另一方面，泰勒模型的参数更适合物理解释。配备了稳健的光谱参数化方法，GG和Taylor模型中BB和LF分量的光谱参数（宽度、形状和贡献）提供了关于湍流性质的定量信息。最直接的光谱特征是光谱的BB贡献（EBB）。在欧姆和L模式等离子体中，BB组分的全径向轮廓在不同的边缘安全系数（q psi）下进行了研究，q psi是决定等离子体稳定性的关键无偏参数。 在Ohmic等离子体中，在中心区域附近系统地观察到E BB显著减少，称为EBB盆地。进一步的调查揭示了EBB盆地和q = 1表面之间的直接联系。 这与称为锯齿的磁-网流体动力学不稳定性的发生有关。具体而言，EBB显著降低（EBB<0.2）在q= 1的表面内，发现EBB盆地的宽度与q= 1的位置近似成正比。在q= 1之外iv表面积，EBB增加到0以上。5在低场侧和高场侧，然而具有强烈的不对称性。 对线性欧姆限制（LOC）和饱和欧姆限制（SOC）方案的区分发现，在整个等离子体横截面中，SOC方案中的EBB始终大于LOC方案中的EBB。在L模式下，我们专注于纯低混合（LH）加热或纯离子回旋共振加热（ICRH）等离子体。 在纯LH加热等离子体中，在不同的加热功率（P热）下观察到E BB库。然而，在纯ICRH等离子体中具有相同的P热的情况下，发现EBB大大增强，宽带盆地变弱或消失。在工作的最后一部分，解释了整个数据库的光谱趋势的观察结果。我们的重点是在各种限制条件下对不同光谱特征的碰撞效应。在欧姆等离子体中，在所有径向位置都观察到EBB的普遍增加和碰撞性这一总体趋势似乎与文献中报告的陀螺动力学模拟一致。具体地，与LOC方案相比，在SOC方案（更高的密度或碰撞性）中观察到更宽的BB组分。 这一对应关系表明，宽带宽度的趋势可能是从主导不稳定性驱动湍流的转变来解释的。特别是，TEM和ITG不稳定性分别与LOC和SOC制度有关。对LF成分和峰值密度的进一步分析支持了这种可能的解释。此外，还研究了其他BB特征（宽度和形状），以获得更深入的理解。在v在L模等离子体中，观察到具有碰撞性的EBB的类似趋势，表明与Ohmic情况下的解释相似同样，这得到了LF分量和密度峰值的全球分析的支持这项工作的主要贡献是将湍流特性的分析从反射光谱扩展到大型数据库中的宽范围等离子体条件这种方法提供的标准化使得能够在数据库中对湍流特性进行系统的研究。已经观察到各种模式，并且可以与实验观察或使用非常小的等离子体条件集进行的模拟相关联。这是聚变科学中第一次在如此大的数据库中系统地表征湍流性质全波和陀螺动力学模拟将进一步确认该链路的光谱趋势和主要不稳定性。然而，目前的研究已经建立了托卡马克等离子体湍流性质的一些重要的、强有力的趋势，这些趋势使它们的解释有了坚实的基础。vi扩展摘要磁约束核聚变研究的目标是开发一种清洁、安全和取之不尽用之不竭的电能来源。 基于在热磁化等离子体中发生的氢同位素核聚变产生的能量，该能源的可行性关键取决于对通过等离子体的能量和粒子传输的控制。现在已经知道，对Toka-mak等离子体中输运的主要贡献与小尺度湍流有关 因此，理解和控制湍流输运对于获得所需的密封性能至关重要。 在托卡马克等离子体的中心区域，与漂移波相关的湍流主要与两种类型的微不稳定性有关：被称为俘获电子模式（TEM）和离子温度梯度模式（ITG）。聚变等离子体研究中的许多努力都致力于了解各种等离子体条件下湍流的性质。碰撞影响主要的不稳定性和输运，因为一方面，被限制在磁笼中的粒子倾向于通过碰撞被喷射，另一方面，碰撞减少了引起不稳定性的粒子的有效数量。本论文的主要目标之一是强调与不同不稳定性相关的不同湍流状态，从而强调不同的输运状态在诊断湍流的不同方法中，反射计是一种雷达类型的技术，用于vii这篇论文。 这是基于对等离子体反射的微波的性质的检测。反射计允许以高空间分辨率访问等离子体密度的波动。特别是，固定频率反射计已被广泛用于提取湍流涨落的光谱特征和相关特性，然后将微不稳定性与湍流输运联系在聚变科学中，大多数实验研究通常是在一组精心选择的等离子体条件下进行的在本论文工作中，采用了另一种方法，根据在Tore Supra托卡马克上进行的反射计测量建立了一个大型数据库。为此，开发了专门的工具，以提取Tore Supra数据库所涵盖的所有等离子体条件的持续全球趋势该数据库包含来自6，000次放电的350，000个光谱，这些放电要么处于"欧姆"状态，其中加热仅由等离子体电流提供，要么处于低限制模式（L模式），其中一个或多个辅助加热系统是活动的。为了实现这些目标，一个关键因素是八反射频谱的适当参数化涨落测量一个稳健的频谱量化方案需要一个归一化过程，该归一化过程还允许进行本工作中最初计划的系统分析。我们的Tore Supra数据库中的所有光谱都被分解为四个分量：对应于反射波的直流分量（DC）、低频波动（BF）、宽带湍流（BB）和噪声级。 已经测试和比较了用于参数化的各种通用函数，以确定在存在各种各样的光谱形状和等离子体条件的情况下具有足够鲁棒性的最佳光谱拟合。包括DC和BF分量在内的低频频谱分量通过两个高斯函数进行拟合，噪声通过一个常数参数进行拟合。BB分量表示湍流在频域中的能量分布，并且可以被识别为各种通用函数（高斯、洛伦兹等）。在不同的等离子体条件下。对于BB分量，使用大量光谱定量比较了三个完全不同的模型 （广义高斯、Voig和Taylor）。这表明广义高斯（GG）模型的出色性能，其次是泰勒模型此外，泰勒模型的参数更容易根据不同的物理效应来解释。GG和Taylor模型的BB和LF分量的光谱参数（宽度、形状和贡献）提供了关于湍流性质的定量信息。洛杉矶ix最简单的光谱特征是光谱对BB（EBB）的贡献研究了BB分量的完整径向轮廓，在最后一个闭合磁通量表面附近评估了不同的安全系数（q psi）。该无偏参数对于数据库中包含的等离子体的稳定性是决定性的。在欧姆等离子体中，在中心区附近系统地观察到EBB的显著减少，称为EBB池。进一步的分析揭示了盆地EBB和表面积q= 1之间的直接联系。这与被称为锯齿的磁流体动力学不稳定性的出现有关更具体地说，EBB在表面q = 1内显著地再收缩（EBB0，2），并且盆地EBB的宽度近似地<在q = 1的表面之外，EBB在低场侧和高场侧都增加到0.5以上，但是具有强烈的不对称性。 通过研究线性欧姆限制（LOC）和饱和欧姆限制（SOC）状态之间的差异，发现SOC状态下的EBB在整个等离子体穿越过程中始终高于LOC状态下的EBB。在L模式下，我们专注于具有纯下混合（LH）加热或纯离子回旋共振（ICRH）加热的等离子体在LH加热的等离子体中，在不同的加热功率（P热）下也观察到E BB池。然而，在仅由ICRH加热的等离子体中使用相同的P热时，发现EBB大 大 增 强 ， 宽 池 趋 于 消 失 。在工作的最后一部分x对数据库中观察到的光谱舞蹈进行了分析。我们的重点是碰撞对不同遏制制度下不同光谱特征的影响 在欧姆等离子体中，在所有径向位置都观察到碰撞时EBB的普遍增加。发现该总体趋势与文献中报告的陀螺动力学模拟一致。具体地，与LOC状态相比，在SOC状态（更高密度或碰撞性）下观察到更宽的BB分量。这种对应关系表明，在从主要不稳定性到湍流起源的转变方面，可能存在对宽带趋势的误解。特别是，TEM和ITG不稳定性分别与LOC和SOC状态相关这种可能的解释是基于对FL分量和密度剖面形状此外，在L模式等离子体中，观察到具有碰撞性的EBB的类似趋势，表明与欧姆情况类似的解释。再次，通过对FL分量和密度分布形状的总体分析证实了这一点这项工作的主要贡献是将反射光谱中湍流特征的分析扩展到广泛的等离子体条件下，以获得一个庞大的数据库。该方法提供的标准化允许在数据库中对湍流特性进行系统研究，该十一应补充基于与目标实验观测或模拟相对应的特定等离子体条件的不同模型的分析这是第一次在科学上证明从一个包含10多年经验的数据库中融合湍流特性的系统表征。通过耦合波传播代码和陀螺动力学代码的模拟，应进一步确认频谱趋势和主要不稳定性之间的联系 尽管还有很多工作要做，但他的论文已经建立了关于托卡马克等离子体湍流性质的强有力的主要趋势，证实了基于原始系统分析的现有解释。确认书在过去的三年里，许多同事和其他博士生为我的研究工作提供了大量的帮助和建议我从他们那里获得了宝贵的知识和经验，这比完成这篇论文要多得多。首先，我想向我的主管表示感谢。我大部分时间都在IRFM、CEA Cadarache工作，Roland Sabot博士是我的论文主任，他以极大的耐心指导我的工作，从一开始就向我解释了反射测量和其他Tore Supra诊断的细节。即使我在比利时呆了几个月，我们仍然定期开会讨论我的进展。特别是，我对他对科学研究的强烈热情和对探索新问题的兴趣印象最深。当我在根特大学的第一年参加一些课程时，我直接与博士一起工作。Grégiore Hornung也在Geert Verdoolaege教授博士的监督下。 他们最初的愿景是将数据科学应用于等离子体湍流的研究，这推动了本文的系统湍流研究。虽然Grégiore在一年后离开了融合区，但我们仍然保持联系，他一直对我的工作感兴趣。Geert在许多方面给了我建议，包括通过我的论文从全球研究方向到非常详细的数据分析技术尽管在过去的两年里我不再在比利时了，但我们一直保持着密切的联系，定期开会讨论我的工作。特别是，Geert帮助编辑和改进了我的每一份手稿，非常精确和耐心。作为我的论文发起人，他也有许多更多的研究方向的推广进行，但不幸的是，许多想法没有实现，由于有限的时间给予博士学位。作为我论文的另一位导师，教授。Stéphane Heuraux一直在从全球角度提供指导。虽然我在洛林大学的时间相对较短，但我真的很享受和他在南希的愉快工作时间。当我们一起远程工作的大部分时间里，他总是在最快的时间回答我的任何问题，在他非常忙的时候，用最清晰、最详细的解释。此外，由于我通常不在大学，他帮助我处理一些复杂的文件，特别是在开始时，注册文件都是用法语写的，我当时知道得很少。我在IRFM-CEA也有另一位导师，博士。塞巴斯蒂安·哈昆，从我大二开始就在库勒姆临时工作虽然他很忙，和我有一个小时的时间差，但他仍然非常关心我的研究工作。他想定期了解我的进展，并非常仔细地阅读我的每一份手稿，并附上详细的评论。然后，我想感谢那些愿意成为陪审团成员的同事们。Pascale Hennequin来自理工学院，教授。EPFL的Stefano CodaToon Verstraelen都来自根特大学。非常感谢你花时间阅读我的论文并提出建议!Pascale Hennequin博士还就我在参数化开发方面的工作向我提供了有益的指导。十四方法。在IRFM-CEA，我大部分时间都在攻读博士学位，我希望感谢所有参与Tore Supra手术的同事，特别是不同的诊断。如果没有你以前的出色工作，我的系统（数据库）研究就无法实现。下面的同事对我的博士工作有一些具体的贡献我和L.泰勒模型的光谱拟合。D.提供的分析工具Elbeze在验证锯齿内翻的位置方面很有帮助。与P.Devynck的讨论，J.F.阿尔托和C. Bourdelle有助于进一步理解Zeff对湍流的影响，因为它是通过标度定律对Zeff最准确的估计X. Garbet激发了基于微不稳定性碰撞效应的后期研究许多同事在许多方面给了我很多帮助，包括：C.阿马多尔，X。Zou，F.克莱尔，C。波特罗，J.C.贾卡洛内，R. Guirlet，C. Gil，Moreau博士和L.卢。我想特别感谢博士。乐天和F.在我留在IRFM期间给了我很多帮助，特别是批准我在博士期间参加许多重要的会议我们小组的两个秘书，N。Borio和V.Icard还帮助我处理了许多文档工作。当我在根特大学学习时，许多同事和学生给了我不同的帮助：凯瑟琳·范·奥斯特、弗兰克·詹森斯、伊芙琳·因德曼斯、让-玛丽·诺特达姆教授和克里斯托弗·莱斯。我还想感谢许多其他博士生，他们在我的博士学位期间与我分享了许多难忘的时刻：Rennan Morales 、 Yaroslav Morgal 、 Tianbo Wang 、 Lei Wang 、 SundaresanSridhar、Song Xiao、Rui Mao、Zhaoxi Chen、Georgiy Zadvitskiy、Arvydas和Nicolas Ialovega。感谢国际聚变科学与工程博士学院（FUSION-DC）、CEA Cadarache和根特大学提供的资助!最后，我向我的家人表示衷心的感谢，包括我的父亲、母亲、生母、生父和妻子。没有你的支持，我将无法完成这篇论文。特别是，我的妻子也帮助改进了这份手稿。再次感谢大家!缩写BB宽带BIC贝叶斯信息准则CXRS电荷交换重组光谱直流电ECE电子回旋加速器发射ECRH电子回旋加速器共振加热ELMS边缘本地化模式电磁学ETG电子温度梯度快速傅立叶变换GENE回旋动力电磁数值实验GG广义高斯HFS高场侧H模式高限制模式ICRH离子回旋共振加热ITG离子温度梯度LF低频LFS低场侧LH低混合型LHCD低混合电流驱动L模式低限制LOC 模式线性欧姆限制朗缪尔探测器MFC磁约束聚变磁流体动力学NBI中性束注入QC准一致性射频射频RSS剩余平方SOC饱和欧姆限制SNR信噪比比TEM被困电子模式TEP湍流平均分配