The impact of two-fluid MHD instabilities on the transport of impurity in tokamak plasmas

par Jae Heon Ahn

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Lütjens Hinrich et de Xavier Garbet.

Soutenue le 24-11-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Centre de physique théorique (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de Physique Théorique [Palaiseau] (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marcel Rax.

Le jury était composé de Lütjens Hinrich, Xavier Garbet, Rémy Guirlet.

Les rapporteurs étaient Ian Chapman, Jonathan Graves.

  • Titre traduit

    Impact des instabilités MHD bi-fluide sur le transport d’impuretés dans les plasmas de tokamaks


  • Résumé

    Les performances des plasmas de fusion confinés magnétiquement peuvent être dégradées par l'accumulation d'impuretés. Plus particulièrement, les impuretés lourdes accumulées au centre du plasma diluent les réactifs, et peuvent aussi conduire à un collapse radiatif du plasma par de fortes pertes par rayonnement. La compréhension du transport des impuretés lourdes produites lors de l'interaction plasma-paroi est donc devenue cruciale.Le coeur du plasma est sujet à une instabilité magnétohydrodynamique (MHD) appelée ‘kink interne’, conduisant à des oscillations de relaxation nommées ‘dents de scie’. Les dents de scie entraînent une relaxation périodique de densité et de température dans le coeur du plasma, et affectent significativement le transport radial. Notamment, les particules et la chaleur sont redistribuées pendant un crash dont la durée est très courte par rapport au temps de confinement.En l'absence des instabilités MHD, le transport des impuretés est porté par les collisions (transport néoclassique) et la turbulence. Il est établi que le transport néoclassique est important pour les impuretés lourdes dans la région centrale du plasma de tokamak. Cependant, des mesures expérimentales du tokamak ASDEX-Upgrade montrent que la dynamique des impuretés en présence des dents de scie est différente des prédictions faites par les codes de transport.Dans cette thèse, l'outil numérique utilisé pour simuler les dents de scie est le code XTOR-2F, qui est un code non-linéaire tridimensionnel résolvant les équations de la MHD. Les équations fluides modélisant le transport des impuretés dans un régime de collisionalité élevée (Pfirsch-Schlüter) ont été implémentées et couplées avec l'ensemble des équations de la MHD bi-fluide.Les simulations montrent que les profils de densité d'impuretés sont affectés par les dents de scie, en accord avec les observations expérimentales. Ceci résulte d'une compétition entre processus néoclassiques et relaxations dues aux dents de scie.


  • Résumé

    Impurity accumulation can degrade the performance of magnetically confined fusion plasmas. In particular, heavy impurities accumulated in the core plasma dilute fusion reactants and may also lead to a radiative collapse of the plasma due to excessive cooling by radiation. Therefore, understanding the transport of heavy impurities produced by plasma-wall interaction has become a subject of utmost importance.The plasma core is likely to be affected by a magnetohydrodynamic (MHD) instability called 'internal kink' that induces relaxation oscillations named 'sawteeth'. Sawteeth are responsible for periodic relaxations of the core density and temperature and affect significantly the radial transport. Especially, particles and heat are redistributed during the crash phase the duration of which is short compared to the confinement time.In absence of MHD instabilities, impurity transport is governed by collisions (neoclassical transport) and turbulence. It is shown that neoclassical transport is important for heavy impurities in the core region of tokamak plasmas. Meanwhile, experimental measurements in the ASDEX-Upgrade tokamak show that the impurity dynamics in presence of sawteeth differs from the predictions made by transport codes.In this thesis, the numerical tool used to simulate sawteeth is the XTOR-2F code, which is a non-linear tridimensional code solving MHD equations. Fluid equations that model the transport of impurities in a highly collisional (Pfirsch-Schlüter) regime have been implemented and coupled to the set of two-fluid MHD equations.The simulations show a difference between the impurity profiles with and without sawteeth, which is consistent with experimental observations. This results from a competition between neoclassical processes and sawtooth relaxations.


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