CH0100042

CENTRE DE RECHERCHES EN PHYSIQUE DES PLSSMAS ECOLE P 0 t ^ i C H N I Q 0 ASSOCIATION EURATOM - CONFEDERATION SUISSE f EDEiUVLE OE LMiSANNE

INIS-CH--029

3 2 / 0 9ANNUAL REPORT 1999

Cover page:The second harmonic (X2) Electron Cyclotron Heating system on TCV, showing a cross-sectional view and a top view of the very flexible 6 beam launching geometry., which becamefully functional in 1999,

- a

Preface

On behalf of all the members of the Centre de Recherches en Physique des Plasmas(CRPP) of the Ecole Polytechnique Federate de Lausanne (EPFL), I am pleased topresent our 1999 Activity Report. In 1999, the activities of the CRPP encompassedboth experimental and theoretical physics of fusion plasma and technology, as wellas transfer of our skills to support industrial applications.

The year was marked by the retirement of Professor Francis Troyon, Director of theCRPP from 1981 to 1999. His colleagues and friends will join me in wishing him allthe best for this new part of his life. We are convinced that he will still use hisenergy to continue to promote fusion as he did during his career.

TCV (an acronym for Tokamak a Configuration Variable) is the major installationfor experimental fusion physics research at the CRPP and is equipped with a highpower electron cyclotron (ECH) heating system. 1999 saw routine operation with1.5MW of ECH power and commissioning of another 1.5MW for the end of the year.TCV has given a wealth of new results, detailed in the body of this report. In thecurrent drive regime, a 120kA plasma current was fully sustained by a 2 secondECH pulse. Both a world's first and a record driven current using ECH, this resultopens up new fields of research for the use of electron cyclotron waves in tokamaks.

In plasma theory, we continue our effort to develop three dimensional stabilitycodes and first principles codes to investigate transport in magnetically confinedplasma. These codes are now operational and are poised to provide novel physicsresults.

Our international contributions include preparing for the scientific exploitation ofthe JET facility in 2000 and the continuation of our effort in support of ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) wherever requested.

Our SULTAN installation is the only test bed for cable in conduit superconductorsand for superconducting cable joints for ITER and in 1999 was fully used by teamsfrom the EU, Japan, Russia and USA. The main results of our work concerned thestability of these conductor designs and the excellent properties of the jointsdeveloped by our team.

Developing low activation structural materials is one of the key issues for a futurefusion reactor and has been the main focus of the Materials group at CRPP formany years. Different alloys (ferritic steels, Ti alloys) are investigated before andafter irradiation by neutrons and by our proton irradiation facility PIREX, whichuses a 600MeV beam at the Paul-Scherrer-Institute. A ferritic steel jointlydeveloped by CRPP and Swiss industry was shown to have an important advantagerelated to the Ductile to Brittle Transition Temperature after irradiation.

The CRPP has always favoured technology transfer of its fields of expertise, socollaboration with industry is considered to be of paramount importance. Based onour knowledge of high Tc superconductors, we have developed a high Tcsuperconductor cable for energy transport, alongside Swiss industry and utilities.This cable was successfully tested in 1999.

In the field of gyrotron development, an international collaboration has produced atube operating at 118GHz and delivering 400kW in pulses of 15.5 seconds, one ofthe best results world-wide. This program aims to develop necessary equipment fordevices such as Tore-Supra (F), W7-X (D) or ITER and provides a further example oftechnology transfer.

- b -

The third field with a long-standing collaboration with industry is the developmentof industrial plasma processes and diagnostics. These activities reflect the widerange of typical plasma applications in industry, from thick film deposition byplasma spraying to thin film applications for flat displays or solar cells and todecorative coatings. Various projects are carried out in close collaboration withprominent Swiss industries in this field.

As an educational institution, the CRPP continues to contribute to the education ofengineers and physicists through undergraduate and graduate programs in thePhysics Department of the EPFL.

The scientific and technological achievements described in this report are the fruitof the dedication and enthusiasm of all the members of the CRPP. It is the highquality of their work in all our fields which has built the international scientificreputation of the CRPP. I would like to thank each and every one of them for theircontributions.

Finally, it is with deep gratitude that I would like to thank all the various publicand private institutions which have financially supported our work in 1999.

Professor M.Q. TranDirector

- e -

Prface

J'ai le plaisir de vous prsenter, au nom de tous les membres du CRPP, le rapportannuel 1999 du Centre de Recherches en Physique des Plasmas (CRPP) de l'EcolePolytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL). Nos activits couvrent la physique desplasmas de fusion, tant du ct exprimental que thorique, la technologie de lafusion, l'application des connaissances acquises dans des domaines industriels.

M. le Prof. Francis Troyon qui fut directeur de CRPP depuis 1981 a pris sa retraiteen 1999. Tous ses collgues, collaborateurs et amis se joignent moi pour luisouhaiter le meilleur pour cette nouvelle partie de sa vie et nous sommes srs qu'ilcontinuera promouvoir la fusion comme source d'nergie pour les gnrationsfutures.

Le Tokamak Configuration Variable (TCV) est notre installation de rechercheprincipale. En 1999, l'opration a bnfici de 1.5MW de chauffage additionnel parabsorption d'ondes cyclotron-lectronique. Une autre tranche de 1.5MW a tinstalle sur la machine la fin de l'anne. Les nombreux rsultats obtenus sontdcrits en dtail dans ce rapport. Nous mentionnerons particulirement le maintiende 120kA de courant durant toute la dure de la dcharge du tokamak parabsorption d'onde cyclotron-lectronique. Cette premire mondiale ouvre desdomaines d'tudes extrmement intressants.

En thorie, nous continuons notre effort dans le dveloppement de codes destabilit tri-dimensionnelles. Le transport dans les plasmas confinsmagntiquement est galement tudi travers des codes qui font appel auxprincipes physiques fondamentaux. Ces codes qui sont devenus oprationnels vontdans le futur permettre de faire progresser notre comprhension dans desdomaines extrmement complexes de la physique des plasmas de fusion.

Le CRPP maintient son appui scientifique aux entreprises communautaires commeJET (en contribuant la prparation des campagnes scientifiques de l'an 2000) etITER.

Dans le domaine de la supraconductivit, notre installation SULTAN reste la seuleau monde capable de tester les cbles et joints dvelopps pour ITER. Elle a tutilise pleinement pour des mesures faites en collaboration avec nos partenaireseuropens, japonais, russes et amricains. Les principaux rsultats de nos travauxportent sur la stabilit des cbles supraconducteurs et les excellentes propritsdes joints.

Les matriaux basse activation sont appels jouer un rle crucial dans unracteur fusion et leur dveloppement est un des thmes principaux de rechercheau Groupe Matriaux du CRPP. Les proprits mcaniques d'aciers martensitiqueset d'alliages de titane (tous les deux des matriaux basse activation) sont tudisavant et aprs irradiation par des neutrons et des protons, ces derniers tantproduit par un acclrateur de l'institut Paul-Scherrer (PSI). Un acier ferritiquedvelopp en collaboration avec l'industrie suisse a montr aprs irradiation unetrs faible augmentation de la temprature au-dessous de laquelle il devient fragile,une proprit cruciale pour une application comme matriaux de structure.

Le transfert des connaissances acquises est un point pour lequel le CRPP atoujours accord une attention particulire. Les exemples suivants me servirontd'illustration. Dans le domaine de la supraconductivit haute temprature, nousavons dvelopp et test un cble supraconducteur destin au transport d'nergiedans le cadre d'un projet co-financ par l'industrie et l'OFEN.

- d -

Le dveloppement des gyrotrons, tubes hyper-frquence de puissance, est depuisde nombreuses annes effectu en collaboration avec l'industrie afin de fournir auxdiverses machines europennes (TCV, Tore Supra (F), W7-X (D)) les sourcesncessaires pour le chauffage du plasma. En 1999, des valeurs "record" en nergiedlivre par un gyrotron (400kW en impulsion de 15.5s 118GHz) ont tobtenues.

Les procds industriels utilisant le plasma ont tay la diversification de nosrecherches et ont tenu toutes leurs promesses. Nous collaborons avec les plusgrandes industries suisses actives dans ce domaine dans des domaines aussi varisque le dpt de couches paisses, des couches minces pour les crans plats, lescellules solaires, des couches barrires, des couches dcoratices. Tous ces projetsrefltent l'importance et la richesse de ce domaine dans lequel un centre tel que leCRPP peut et doit jouer un rle important.

Le CRPP assume galement des tches d'enseignement dans le cadre de cours de1er, 2me et 3me cycle du Dpartement de Physique.

Les rsultats scientifiques et techniques dcrits dans ce rapport sont le fruit del'engagement de tous les membres du CRPP. Le haut standard qu'ils ont mis dansleur travail a permis de construire notre rputation internationale. J'aimerais lesremercier sincrement pour leurs efforts.

Je tiens galement exprimer ma reconnaissance tous les organismes