ICRF HEATING IN TOKAMAKS

Résumé
On décrit l'état actuel du chauffage radiofréquence cyclotron ionique (RFCI) des plasmas de Tokamaks. Deux aspects du sujet sont discutés : la physique de l'amortissement de l'onde, et l'évaluation du chauffage ionique. Des expériences récentes dans plusieurs machines Tokamak, au second harmonique de la fréquence cyclotron du deutérium, ont présenté de grands écarts entre l'amortissement d'onde observé, et celui qui était prévu. La réflexion actuelle attribue ces écarts à l'influence d'une résonance hybride à deux ions, entre les ions majoritaires de deutérium et des protons d'impuretés. Un certain nombre d'observations expérimentales paraissent consistantes avec ce point de vue. Cependant, les détails des processi physiques qui conduisent à l'amortissement d'onde ne sont pas encore clairs. Une théorie attribue l'amortissement à une conversion de mode linéaire dans la couche hybride à deux ions. Ce processus est important, si le rapport de densité proton-deutérium est grand (> 10 %). Une autre explication possible est discutée dans cet article, basée sur l'amortissement augmenté à l'harmonique cyclotron, en raison de la proximité des couches hybrides à deux ions et de résonance cyclotron. Le problème en conditions aux limites de la propagation d'ondes rapides dans un plasma inhomogène à deux ions a été résolu explicitement pour obtenir la structure du champ d'onde. Lorsque la concentration en proton est modeste (< 5 %), on trouve un gradient raide du champ électrique polarisé à gauche, dans la région comprise entre les couches hybride et cyclotron résonnante. Ce gradient paraît fournir une augmentation suffisante de l'intensité d'amortissement à l'harmonique deux, pour rendre compte des écarts observés. Cependant, une mesure fidèle de la concentration de proton est nécessaire pour choisir entre ces deux possibilités. Le chauffage ionique a été examiné en détail dans les expériences récentes dans la machine ATC. On montre que le chauffage RFCI peut chauffer la masse des ions dans le coeur d'un plasma de Tokamak avec des efficacités situées entre 10 et 40 %, en ne causant aucun changement significatif du confinement de l'énergie ionique.

Abstract
The current status of ICRF heating of Tokamak plasmas is described. Two aspects of the subject are discussed : the physics of wave damping and the evaluation of ion heating. Recent experiments in several Tokamak devices at the second harmonic of the deuteron cyclotron frequency have exhibited large discrepancies between the observed and predicted wave damping. Current thinking attributes these discrepancies to the influence of a two-ion hybrid resonance between the majority deuterium ions and impurity protons. A number of experimental observations appear to be consistent with this view. However, the details of the physical processes which lead to wave damping are still unclear. One theory attributes the damping to a linear mode conversion at the two-ion hybrid layer. This process is important, if the proton-to-deuteron density ratio is large (> 10 %). Another possible explanation, based upon enhanced cyclotron harmonic damping due to the proximity of the two-ion hybrid and cyclotron resonance layers, is discussed in this paper. The boundary value problem for fast wave propagation in an inhomogeneous two-ion plasma has been solved explicitly to obtain the wave field structure. For modest proton concentrations (< 5 %) a steep gradient in the left-hand polarized electric field is found in the region between the hybrid and cyclotron resonant layers. This gradient appears to provide sufficient enhancement of the second harmonic damping strength to account for the observed discrepancies. However, a reliable measurement of the proton concentration is needed to choose between the two possibilities. Ion heating was examined in detail in recent experiments in the ATC device. It is shown that ICRF heating can heat the bulk of the ions in the core of a Tokamak plasma with efficiencies ranging from 10 to 40 %, without causing any significant change in the ion energy confinement.