Modélisation et contrôle hamiltonien du transport radial dans les plasmas magnétisés à configuration linéaire

par Olivier Izacard

Thèse de doctorat en Physique théorique et mathématique

Sous la direction de Cristel Chandre.

Le président du jury était Marco Pettini.

Le jury était composé de Cristel Chandre, Marco Pettini, Francesco Pegoraro, Thomas Klinger, Philip J. Morrison, Peter Beyer, Guido Ciraolo, Yanick Sarazin.

Les rapporteurs étaient Francesco Pegoraro, Thomas Klinger.


  • Résumé

    Dans l'optique de produire de l'énergie à travers les réactions de fusion, nous sommes amenés à étudier des phénomènes physiques qui ont lieux dans les tokamaks. Les instabilités qui existent dans les tokamaks peuvent fortement dégrader le confinement et ont un impacte sur le fonctionnement de futurs réactions à fusion. Des mesures révèlent un fort transport radial. Même si ce transport radial est en partie est une conséquence des collisions, l'instabilité d'interchange est la source dominante à ce transport puisque le type de plasmas nous intéressant sont faiblement collisionnels. Dans la limite non collisionnelle, la description hamiltonienne permet de décrire le système dynamique des particules du plasmas dans un champ électromagnétique. Nous donnons de l'importance à cette description afin de pouvoir accéder aux outils hamiltoniens.Nous travaillons sur la modélisation et le contrôle hamiltonien du transport radial. Après avoir écrit le modèle hamiltonien des particules d'un plasma magnétisé, nous introduisons les réductions de ce modèle lagrangien en modèles eulériens réduits afin de s'adapter à certains calculs numériques et théoriques. Ces réductions donnent lieux aux équations fluides hamiltonien. Cependant, nous montrons que ces réductions peuvent faire perdre la propriété hamiltonienne. En particulier pour obtenir un modèle ayant la température des ions (puisqu'elle n'est pas négligeable au centre du plasma), nous montrons la procédure conservant la propriété hamiltonienne à partir du modèle sans température des ions.Quant à l'étude du transport radial, nous appliquons une des propriétés hamiltoniennes (le contrôle) afin de créer une barrière de transport par des perturbations du système. Nous étudions de manière idéale l'effet du contrôle à travers la dynamique lagrangienne des traceurs appelés particules test. Nous faisons particulièrement des efforts dans la prise en compte des contraintes numériques et expérimentales. Nous montrons notamment la robustesse du contrôle lors de l'application des perturbations par des sondes de Langmuir.Finalement, nous étudions l'application du contrôle dans un modèle eulérien décrivant la rétroaction du plasmas (à travers la densité et le potentiel électrique) lorsque nous appliquons les perturbations. Cette étape permet de prendre en compte le couplage du système plasma-perturbations. En utilisant un code fluide permettant de décrire le plasma de bord lors de perturbations générées par des sondes de Langmuir. Nous développons un algorithme permettant de calculer le contrôle en tout temps en fonction du potentiel électrique. Nous montrons alors que la valeur moyenne du potentiel électrique joue un rôle important pour l'application du contrôle dans un modèle fluide.


  • Résumé

    In order to produce energy through fusion reactions, we are led to study of physical phenomena that occur in tokamaks. The instabilities that exist in tokamaks can significantly degrade the confinement and have an impact on the operation of future fusion reactors. Measurements reveal a strong radial transport. Although this is partly a consequence of collisions, the interchange instability is the dominant source to transport since the type of plasmas that interest us are weakly collisional. Within non collisional limit, the Hamiltonian description used to describe the dynamical system of charged particles in an electromagnetic field. We give importance to this description in order to access the Hamiltonian tools.We are working on modeling and control Hamiltonian of radial transport. After writing the Hamiltonian model of particles in a magnetized plasma, we introduced some reductions from Lagrangian models to Eulerian reduced models in order to accommodate some theoretical and numerical calculations. These places give the Hamiltonian fluid equations. However, we show that these reductions may lose the Hamiltonian property. In particular for a model with the ion temperature (not neglected at the center of the plasma), we show the procedure preserving the Hamiltonian property from the model without ion temperature.As for the study of radial transport, we apply one of the Hamiltonian properties (the control) to create a transport barrier by perturbations of the system. We are looking ideally the effect of control through the Lagrangian dynamics of tracers called test particles. We make particular efforts in the consideration of numerical and experimental constraints. We show the robustness of control when applying perturbations by Langmuir probes.Finally, we study the application of control in an Eulerian model describing the feedback of plasma (through the density and the electric potential) when we apply the perturbations. This step allows to take into account the coupling of the system plasma-perturbations. We use a numerical code to describe the plasma at the edge during perturbations generated by Langmuir probes. We develop an algorithm to calculate the control at all times depending on the electric potential. Finally we show that the average value of electric potential plays an important role in the implementation of control in a fluid model.


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