Design and operation of antennas at the ion cyclotron and lower hybrid range of frequencies for nuclear fusion reactors

Cette thèse fournit en premier lieu une brève introduction à la fusion nucléaire par confinement magnétique et aux tokamaks. Elle explique la nécessité de disposer de systèmes électromagnétiques aux fréquences cylctronique ionique (ICRF) et hybride basse (LHRF) pour le chauffage du plasma et la génération de courant. En second lieu les conditions à satisfaire afin d’assurer une propagation de l'onde plasma et une résonance onde-particules sont définies. Le solveur de réseaux hyperfréquences SIDON, développé pour cette thèse, est ensuite présenté. La thèse aborde ensuite les types d'antennes ICRF et l'adaptation d'impédance des réseaux de boucles rayonnantes. Les antennes ICRF de WEST sont présentées en détail et des simulations faites avec SIDON de scénarios d'adaptation d'impédance sont discutées. La thèse discute d’un banc de test faible puissance (milliwatt) développé pour les antennes ICRF de WEST ainsi que la caractérisation à faible puissance de la première d’entre elles. De plus, des expériences à forte puissance (mégawatt) avec l'antenne ITER-Like Antenna de JET sont discutées. Les antennes LHRF sont ensuite abordées ainsi que la modélisation numérique du couplage de réseaux phasés de guide d'ondes au plasma. La conception d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation est discutée. ASTARTE-LP est un prototype faible puissance (milliwatt) d’une antenne basée sur le concept de guides à fentes et qui a été conçu pour être testé sur COMPASS. Enfin, la validation expérimentale d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation avant les expériences sur COMPASS, ainsi que les expériences sur COMPASS, sont discutées. The thesis provides at first a brief introduction to magnetic nuclear fusion and tokamaks. It explains the need for auxiliary plasma heating and current-drive electromagnetic systems at the Ion Cyclotron and Lower Hybrid Range of Frequencies (ICRF and LHRF). The thesis then sets antenna specifications that allow satisfying proper plasma wave propagation and proper wave-particle resonance. The Radio Frequency (RF) network solver SIDON developed for this thesis is then presented. The thesis then discusses the different types of ICRF antennas and details the challenges of the impedance matching in ICRF arrays of straps. WEST ICRF launchers are discussed in great detail and simulations of impedance matching scenarios for these launchers using SIDON are reported. The thesis reports on the low-power (milliwatt range) testbed that has been developed for WEST