Barrières et transport des impuretés dans les plasmas de Tokamak

Barriers and impurity transport in tokamak's plasmas

• Auteur / Autrice : Guillaume Lo-Cascio
• Direction : Etienne Gravier, Thierry Réveillé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy, Metz ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Heuraux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Gravier, Thierry Réveillé, Pascale Hennequin-Blondet, Peter Beyer, Guilhem Dif-Pradalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Hennequin-Blondet, Peter Beyer
• DOI : 10.70675/30a5b8bdz4729z4719zb7c1z89b53605ec82

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion nucléaire par confinement magnétique

Tokamaks

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Plasmas (gaz ionisés) -- Impuretés

Théorie du transport

Mots clés libres

Plasma

Transport

Fusion

Impuretés

Simulation

Turbulence

Transport

Impurities

Fusion

Plasma

Simulation

Turbulence

Résumé

La fusion nucléaire est le processus qui anime le plasma de cœur des étoiles et consiste à fusionner des noyaux légers, typiquement des isotopes de l'hydrogène, en un noyau plus lourd comme l'hélium. Le déficit de masse engendré via ce type réaction donne en sortie une quantité d'énergie importante, le tout sans émettre de gaz à effet de serre. Cette réaction de fusion via confinement gravitationnel est impossible à effectuer sur Terre et il est donc nécessaire de trouver un autre moyen de confiner un plasma à plusieurs millions de Kelvin si l'on souhaite exploiter cette source d'énergie. Le moyen le plus étudié pour atteindre cet objectif aujourd'hui est la fusion par confinement magnétique. En effet, les particules chargées suivent une trajectoire circulaire autour des lignes de champ magnétique. Il est donc possible de construire un réacteur, usuellement de forme toroïdale, permettant de confiner un plasma moins dense que dans le cœur des étoiles, mais à des températures 10 fois plus élevées. Un champ magnétique dans l'axe principal du tore est alors généré par des bobines transverses (i.e. poloïdales) qui injectent un courant dans ce même axe toroïdal. Ce dernier génère un champ magnétique transverse qui, une fois combiné avec le premier champ, créé un champ total hélicoïdal reposant sur des surfaces toroïdales imbriquées. Les particules qui évoluent dans ces surfaces fermées sont alors dites confinées. Cependant, le confinement du plasma dans un tokamak n'est pas parfait ; les collisions Coulombiennes permettent aux ions de dériver vers les parois en traversant la dernière surface de flux fermée du tokamak (i.e. la séparatrice). Ce phénomène de transport est appelé transport « néoclassique ». En revanche, les coefficients de transports calculés à partir de la théorie néoclassique sont 2 à 3 ordres de grandeurs en dessous des valeurs expérimentales. Le transport observé dans les tokamaks est dû principalement à des instabilités se développant en turbulence en puisant dans l'énergie libre stocké dans les gradients de température notamment, augmentant ainsi grandement le transport de chaleur et de particules vers les parois du tokamak. Ce transport peut toutefois être limité via une transition d'état qui s'opère en injectant de l'énergie dans le tokamak via des neutres rapides. Une réduction très importante du transport et un raidissement des profils de pression au bord est alors observé ; une « barrière de transport » s'est mise en place. Cette transition L-H (i.e. « Low - High ») est reproductible expérimentalement dans de nombreux tokamak et est le mode de fonctionnement standard envisagé pour ITER. Cependant, même en mode H, des flux importants de particules et de chaleur peuvent atteindre la paroi et la pulvériser. Des impuretés peuvent alors contaminer le cœur du plasma et entraîner une disruption. C'est notamment le cas du tungstène qui n'est pas complètement ionisé dans les conditions des plasmas de cœur et réémet alors une grande partie de l'énergie qu'il absorbe sous forme de rayonnement. Dans cette thèse, nous avons étudié via GYSELA, un code gyrocinétique 5D massivement parallélisé développé par le CEA Cadarache, les différents mécanismes permettant de générer les barrières de transport. Pour cela, une source de cisaillement poloïdal a été utilisé afin de réduire localement l'intensité turbulente. La réduction importante de la taille moyenne des structures turbulentes a engendré une réduction équivalente du flux de chaleur et du coefficient de diffusivité associé, permettant d'établir clairement la formation d'une barrière de transport. Enfin, des simulations en présence d'impuretés (He, Ar, W) en présence de cette barrière de transport ont montré que la barrière de transport ainsi généré empêche les impuretés lourdes venant de l'extérieur de contaminer le plasma de cœur en augmentant notamment l'effet d'écrantage thermique, améliorant ainsi la qualité du confinement.

Nuclear fusion is the process that powers stars and consists in fusing light nuclei, typically hydrogen isotopes, into a heavier nucleus such as helium. The mass deficit obtained through this type of reaction yields significant amount of energy without emitting greenhouse gases. Fusion through gravitational confinement is impossible to do on Earth. Another way of confining fusion plasma, which are at several millions Kelvin, is required if we want to exploit this source of energy. Nowadays, the most widely studied way of achieving fusion is by magnetically confining the plasma. Since charged particles follow a circular trajectory around magnetic field lines. It is therefore possible to build a reactor, usually toroidal in shape, to confine a plasma that is less dense than in the cores of stars, but at temperatures 10 times higher. A magnetic field along the main axis of the toroid is generated by transverse (i.e. poloidal) coils that inject a current along the same toroidal axis. This generates a transverse magnetic field which, when combined with the first field, creates a total helical field based on interlocking toroidal surfaces. The particles evolving in these closed surfaces are then said to be confined. However, plasma confinement in a tokamak is not perfect; Coulomb collisions allow ions to drift towards the walls by crossing the last closed flux surface of the tokamak (i.e. the separator). This transport phenomenon is known as ''neoclassical'' transport. However, the transport coefficients calculated using neoclassical theory are 2 to 3 orders of magnitude lower than the experimental values. The transport observed in tokamaks is mainly due to instabilities developing in turbulence by drawing on the free energy stored in the temperature gradients, thus greatly increasing the transport of heat and particles towards the walls of the tokamak. Nonetheless, this transport can be limited by a state transition that takes place by injecting energy into the tokamak via fast neutrals. A very significant reduction in transport and a stiffening of the pressure profiles at the edge is then observed; a ''transport barrier'' has been set up. This L-H (i.e. ''Low - High'') transition is experimentally reproducible in many tokamaks and is the standard operating mode envisaged for ITER. However, even in H mode, large flows of particles and heat can reach the wall and pulverise it. Impurities (i.e. species not involved in the fusion reaction) can then contaminate the plasma core and dilute or even extinguish it. This is particularly the case with tungsten, which is not completely ionised under core plasma conditions and therefore re-emits much of the energy it absorbs in the form of radiation. In this thesis, we used GYSELA, a 5D gyrokinetic massively parallelized code developed by CEA Cadarache, the various mechanisms that generate transport barriers. To this end, a sheared poloidal momentum source was used to reduce turbulent intensity locally. The resulting quench of turbulent structures size led to an equivalent reduction in heat flux and associated diffusivity coefficient. Those elements led us to conclude that a transport barrier was successfully triggered in our simulations. Finally, simulations with impurities (He, Ar, W) with and without a transport barrier showed that the transport barrier successfully prevented heavy impurities from outside the barrier to penetrate and contaminate the core plasma. Thermal screening effect is mainly responsible for the resulting confinement enhancement we observed.