Modélisation numérique des flux de puissances sur les composants face au plasma de Tokamak à l'aide de techniques de couplage avancées entre codes fluides et cinétiques

par Matteo Valentinuzzi

Thèse de doctorat en Energie, rayonnement, plasma

Sous la direction de Yannick Marandet et de Guido Ciraolo.

Le président du jury était Philippe Ghendrih.

Le jury était composé de Francesca Rapetti, Eric Serre, Domiziano Mostacci.

Les rapporteurs étaient Fabio Subba, Detlev H. Reiter.


  • Résumé

    L'extraction de puissance est l’un des défis auxquels la prochaine génération de Tokamaks sera confrontée. Le calcul des flux nécessite une résolution à la fois des particules chargées et neutres, qui jouent un rôle majeur prés du mur. Le plasma est généralement décrit dans l'approche fluide, alors que les neutres nécessitent un traitement cinétique dans la plupart du domaine en raison des larges libres parcours moyens, généralement traités avec une approche Monte Carlo. Cependant le traitement MC devient CPU intensif lorsque certaines régions du plasma deviennent presque hydrodynamiques pour les neutres, nécessitant de très longues trajectoires. L’amélioration du couplage entre le solveur plasma et le code MC cinétique a donc été identifiée comme un obstacle majeur pour la réalisation de simulations réalistes pour les Tokamaks de prochaine étape, tout en limitant les temps de calcul souvent prohibitifs. En étudiant le rôle du bruit statistique, on a montré qu’il est possible d’utiliser ces codes à un coût bien inférieur en réduisant le nombre d’histoires neutres sans perdre en précision, à condition que le temps de corrélation soit court par rapport aux échelles de temps du plasma. Le problème n'est pas complètement résolu car les trajectoires neutres dans les régions fortement collisionelles peuvent devenir extrêmement longues. Pour cette raison, un modèle hybride pour les neutres, basé sur une approche en deux phases, a été développé et mis en œuvre. Simulations en géométrie ITER montrent que le code hybride reproduit les résultats cinétique pour une large gamme de collisionnalité seuil, même dans des conditions cinétiques, tout en surpassant modestement le code MC

    mots clés mots clés

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  • Titre traduit

    Numerical modelling of power flux densities on tokamak plasma facing components by using advanced coupling techniques for kinetic and fluid codes


  • Résumé

    Power exhaust is one of the challenging issues that next generation of Tokamaks will face. Calculating power fluxes requires solving for both charged and neutral particles, which play a major role close to the wall. The plasma is usually described within the fluid approach in 2D while neutrals usually require a kinetic treatment in most of the simulation domain owing to their large mean free paths, usually addressed with a Monte Carlo approach. However, the kinetic treatment becomes CPU intensive when some regions of the plasma become almost hydrodynamic for neutrals, requiring very long trajectories. Improving the coupling between the fluid plasma solver and the kinetic MC code has thus been identified as a critical bottleneck for performing realistic simulations for next step devices, while limiting the often prohibiting computation times required. By investigating the role of statistical noise, we showed that it is possible to run these codes at a much lower cost simply by reducing the number of neutral histories without losing significantly in accuracy, provided the correlation time is short compared to the plasma time scales. The problem is not completely solved since neutrals trajectories in highly collisional regions can become exceedingly long. For this reason a hybrid kinetic-fluid model for the neutral particles, based on a two-phase approach, has been developed and implemented. Simulations in realistic ITER geometry show that the hybrid code is able to reproduce the results of the kinetic simulation for a surprisingly large range of threshold collisionality, even in mostly kinetic conditions, while modestly out-performing the kinetic MC code


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