Impact des ions rapides sur la microturbulence dans les plasmas de fusion

Impact of fast ions on microturbulence in fusion plasmas

• Auteur / Autrice : Samuele Mazzi
• Direction : Mohamed Sadruddin Mohamed-Benkadda, Jeronimo Rodriguez Garcia, David Zarzoso Fernandez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Energie, rayonnement, plasma
• Date : Soutenance le 23/11/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires (Marseille ; 2012-....) - Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Hennequin-Blondet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlos Hidalgo, Alberto Loarte, Gerardo Giruzzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paola Mantica, Olivier Sauter
• DOI : 10.70675/efff5047zdd43z4149z82b0z07e627ffd718

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Turbulence

Dynamique des plasmas

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Ions

Tokamaks

Mots clés libres

Tokamak

Microturbulence

Ions rapides

Tokamak

Microturbulence

Fast ions

Résumé

L'exploitation des plasmas de fusion magnétiquement confinés en tant que source d'énergie durable et propre est limitée par le transport turbulent radial vers l'extérieur. Ce transport est principalement induit par les micro-instabilités. Les future réacteurs seront principalement chauffés par les particules alpha produites par les réactions de fusion nucléaire. Les particules alpha doivent être bien confinées afin de transférer leur énergie aux ions thermiques. Cependant, on a aujourd'hui très peu de connaissances sur l'interaction entre les particules alpha et la microturbulence. Ainsi, des régimes de turbulence et de transport inattendus peuvent avoir des effets néfastes sur les performances des futurs réacteurs chauffés par les particules alpha. L'étude d'un scénario de tokamak qui peut imiter les conditions expérimentales attendues dans les futurs réacteurs est donc cruciale. Des études numériques sur l'impact des ions rapides hautement énergétiques, imitant la dynamique des particules alpha, sur le transport turbulent provoqué par le gradient de température des ions et les instabilités du mode des électrons piégés ont été réalisées. Il est démontré qu'une suppression du transport turbulent à l'échelle ionique peut être obtenue en présence de tels ions hautement énergétiques. Les modes d'Alfvén (AEs), déstabilisés par les ions hautement énergétiques à travers une interaction onde-particule, jouent un rôle essentiel dans le mécanisme multi-échelle menant à la suppression de la turbulence. Des analyses approfondies soulignent en outre la possibilité de reconnaître les caractéristiques de la réduction du transport à l'échelle des ions

The exploitation of magnetically confined fusion plasmas as a sustainable and clean energy source is limited by the radially outward turbulent transport. Such transport is mainly induced by microinstabilities. Next-generation fusion devices will be mainly heated by the alpha particles born from the nuclear fusion reactions. Alpha particles must be well confined in order to transfer their energy to the bulk ions. However, very little knowledge is available regarding the interaction between alpha particles and microturbulence. Thus, unexpected turbulence and transport regimes may lead to further detrimental effects on the performance of future alpha-heated devices. The study of a tokamak scenario which can mimic the experimental conditions expected in future devices is hence crucial. Numerical investigations on the impact of highly energetic fast ions, mimicking the alpha particle dynamics, on the turbulent transport driven by Ion Temperature Gradient and Trapped Electron Mode instabilities have been carried out in a validated framework. It is shown that a suppression of the ion-scale turbulent transport may be achieved in the presence of such highly energetic ions. Alfvén Eigenmodes (AEs), destabilized by the highly energetic ions through a wave-particle interaction, play an essential role in the multi-scale mechanism leading to the turbulence suppression. Deep analyses further highlight the possibility to recognize hallmarks of the ion-scale transport reduction, regardless the dominant turbulent regime