Simulation magnéto-hydro-dynamiques des Edge-Localised-Modes [ELM] dans un tokamak

par Stanislas Pamela

Thèse de doctorat en Physique des plasmas, Fusion magnétique

Sous la direction de Mohamed Sadruddin Mohamed-Benkadda.

Soutenue en 2010

à Aix-Marseille 1 , en partenariat avec Université de Provence. Section sciences (autre partenaire) .


  • Résumé

    Afin de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion dans un tokamak, le plasma doit être chauffé à des températures plus élevées que celle de notre soleil. Le régime d'opération appelé mode-H permet d'acquérir un confinement du plasma proche des conditions requises à la fusion. Grâce à la formation d'une barrière de transport au bord du plasma, la turbulence est diminuée, et la pression du plasma s'accroît, donnant lieu à un fort gradient de pression au bord. Toutes fois, si ce gradient de pression, situé à la limite entre le plasma confiné et le vide, devient trop élevé, une instabilité magnétohydrodynamique est déclenchée, et la pression accumulée dans le plasma est perdue. Cette instabilité, appelée Edge-Lacalised-Mode, provoque des flux d'énergie considérables sur les composants face au plasma, ce qui ne peut être accepté pour un tokamak de la taille d'ITER. Pour mieux comprendre la physique de cette instabiliité, et déterminer les mécanismes non-linéaires des ELMs, le code JOREK est utilisé. Les travaux présentés ici sont basés sur la simulation MHD des modes de ballonnements (responsables des ELMs) avec le code JOREK. Dans un premier temps, les simulations sont faites pour des plasmas standards, inspirés de plasmas expérimentaux. En particulier, la rotation du plasma à l'équilibre, au niveau du gradient de pression, est étudiée pour parvenir à une analyse des effets que cette rotation peut avoir sur la stabilité linéaire des ELMs et leur évolution non-linéaire. Les simulations sont ensuite appliquées à des plasmas de tokamaks actuellement en activité : JET et MAST, en Angleterre. Cela permet notamment la comparaison des résultats de simulations aux observations expérimentales, qui a pour but principal d'améliorer notre compréhension de la physique des ELMs. Ajouté à cet aspect physique, le fait de confronter le code JOREK à des diagnostiques de JET et MAST amène vers une validation des simulations, qui a pour but de démontrer que les simulations obtenus correspondent bien à des ELMs. Cette première étape vers une validation du code est incontournable pour la simulation cohérente d'ELMs dans ITER, un challenge pour JOREK.

  • Titre traduit

    Magnéto-hydro-dynamic simulation of Edge-Localised-Modes in tokamaks


  • Résumé

    In order to produce energy from fusion reactions in a tokamak, the plasma must reach temperatures higher than that ofour sun. The operation regime called H-mode enables one to acquire a plasma confinement close to fusion conditions. Due to the formation of a transport barrier at the plasma edge, turbulent transport is reduced, and the total plasma pressure increases, resulting in a strong pressure gradient at the edge. If this pressure gradient, localised at the plasma-vacuum boundary, becomes too teep, a magneto-hydro-dynamic instability is triggered and part of the plasma pressure is lost. This instability, hence called Edge-Localised-Mode, provokes large heat fluxes on some of the plasma-facing components of the machine, which could set operational limits for a tokamak the size of ITER. In order to understand this instability, and to determine the non-linear mechanisms behind the ELMs, the IOREK code is used. The work presented in this thesis is based on MHD simulations of ballooning modes (responsible for ELMs) with the JOREK code. At first, simulations are done for standard plasmas, inspired of experimental machines. In particular, the plasma rotation at equilibrium, in the region of the edge pressure gradient, is studied in order to obtain an analysis of the effects that such a rotation can have on the linear stability of ELMs and on their non-linear evolution. Then, as a second step, simulations are applied to plasmas of the experimental tokamaks JET and MAST (England). This permits the direct comparison of simulation results with experimental observations, with the main goal of improving our global understanding of ELMs. Adding to this physics aspect, the confrontation of the JOREK code with diagnostics of JET and MAST brings to a validation of simulations, which should prove that the simulations which were obtained do correspond to ELM instabilities. This first step towards the validation of the code is crucial concerning the simulation of ELMs in ITER, and the prediction of ELM-related physics in future fusion reactors.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (III-160 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 153-154

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  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. St Charles). Service commun de la documentation. Bibliothèque universitaire de sciences lettres et sciences humaines.
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