Génération d'écoulements dans les plasmas de tokamak : compétition et synergies entre turbulence et effets néoclassiques

Flow drive in tokamak plasmas : competition and synergies between turbulence and neoclassical effects

• Auteur / Autrice : Robin Varennes
• Direction : Xavier Garbet, Laure Vermare
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....) - Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance)
• Jury : Président / Présidente : Peter Beyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniela Grasso, Yanick Sarazin, Etienne Gravier, Peter De Vries
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tobias Goerler, Stephan Brunner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique à très haut champ

Fusion au plasma

Fusion nucléaire

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Tokamaks

Mots clés libres

Plasma

Fusion

Turbulence

Néoclassique

Simulations gyrocinétiques

Plasma

Fusion

Turbulence

Neoclassic

Gyrokinetic simulations

Résumé

La génération des écoulements dans les plasmas de tokamak est un sujet primordial, notamment car leur contrôle via injection de moment externe dans les futurs réacteurs sera difficilement réalisable.Les écoulements jouent pourtant un rôle majeur dans la stabilité et la performance d'un plasma de fusion.Dans cette thèse, la génération de l’écoulement perpendiculaire aux lignes de champ, associé au champ électrique radial, est étudiée dans deux contextes expérimentalement pertinents.Dans une premier temps, l’effet d'une perturbation 3D du champ magnétique comme celle causée par la modulation provenant du nombre fini de bobines toroïdales, aussi appelé ''ripple'', est étudié. Une telle perturbation affecte la vitesse toroïdale du plasma, elle-même générée de façon spontanée par la turbulence.À l'aide d'un modèle théorique et de simulations, la compétition et la synergie entre turbulence et ripple a été observée et quantifiée.Les résultats montrent alors que l'effet du ripple sur les écoulement ne sera pas négligeable au bord dans ITER.Dans un second temps, les expériences récentes sur le tokamak WEST montrant que le champ électrique radial est sensible au taux d’enroulement des lignes de champ magnétique, appelé ``facteur de sécurité'', sont étudiées numériquement via des simulations.Comme observé expérimentalement, ces simulations montrent que le champ électrique radial se creuse lorsque le facteur de sécurité et l’intensité turbulente diminue.L'effet majoritaire vient du transfert d'énergie turbulente variant avec le facteur de sécurité, qui favorise soit les écoulements à très basse fréquence appelés ``zonal flow'' , soit ceux à plus haute fréquence appelés ''GAMs''.

The generation of flows in tokamak plasmas is a crucial subject, especially since their control via external momentum injection in future reactors will be near impossible.However, flows play a major role in the stability and performance of a fusion plasma.In this thesis, the generation of the flow perpendicular to the field lines, associated with the radial electric field, is studied in two experimentally relevant contexts.First, the effect of a 3D perturbation of the magnetic field such as the one caused by the modulation coming from the finite number of toroidal coils, also called ''ripple'', is studied. Such a perturbation affects the toroidal velocity of the plasma, itself generated spontaneously by the turbulence.Numerous experimental studies on different tokamaks have shown that these effects strongly impact the toroidal velocity of the plasma.Using a theoretical model and simulations, the competition and synergy between turbulence and ripple have been observed and quantified.Preliminary studies show that the effect of the ripple on the flows will not be negligible at the edge in ITER.In a second step, recent experiments on the WEST tokamak showing that the radial electric field is sensitive to the winding rate of the magnetic field lines, called ''safety factor'', are investigated numerically via gyrokinetic simulations.As observed experimentally, these simulations show that the radial electric field increases as the safety factor and the turbulent intensity decrease.The main effect comes from the turbulent energy transfer varying with the safety factor, which favors either very low frequency flows called ''zonal flows'', or higher frequency flows called ''GAMs''.