Auto-Organisation de la turbulence de bord dans les plasmas de fusion

Edge turbulence self-organization in fusion plasmas

• Auteur / Autrice : Olivier Panico
• Direction : Pascale Hennequin-Blondet, Yanick Sarazin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....) - Laboratoire de Physique des Plasmas
• Jury : Président / Présidente : Steven Tobias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Hennequin-Blondet, Yanick Sarazin, Yann Camenen, Benoît Labit, Özgür Gürcan, Peter Manz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Camenen, Benoît Labit
• DOI : 10.70675/4042b5e6za1cbz402cz99b9z7518f7b52ec2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas chauds

Fusion nucléaire

Avalanches

Mots clés libres

Plasmas chauds

Fusion nucléaire

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Ecoulements zonaux

Tokamak

Avalanches

Plasma

Fusion

Turbulence

Zonal flows

Tokamak

Avalanches

Résumé

Ce travail de doctorat s’intéresse à la caractérisation de l’auto-organisation de la turbulence au bord des plasmas de tokamak, déterminante pour le transport et le confinement. Il a permis d’obtenir trois résultats principaux : l’identification des régimes de paramètres plasma propices à l’auto-organisation de la turbulence, l’élucidation de mécanismes physiques sous-jacents, l’obtention de preuves expérimentales de l’auto-organisation grâce à des mesures de rétrodiffusion Doppler (DBS).Les tokamaks permettent le confinement de plasmas chauds à l’aide de champs magnétiques. Trois zones s’y distinguent : la zone de confinement du plasma, séparée de la zone externe où celui-ci interagit avec les matériaux par une zone de transition, dite « de bord ». Dans le domaine opérationnel de fonctionnement des tokamaks, le transport perpendiculaire – et donc le confinement – est régi à l’échelle microscopique par la turbulence. Mieux connaître les mécanismes de saturation de la turbulence apparaît ainsi essentiel. Dans la zone de transition, la turbulence génère à la fois des événements de transport par avalanches, qui détériorent le confinement, et des écoulements zonaux (ZF) qui contribuent à la saturation de la turbulence. Ce travail cherche à comprendre et prédire l’auto-organisation, c’est-à-dire l’interaction auto-cohérente entre les ZF potentiellement structurés radialement, les profils moyennés sur les surfaces de flux et le transport turbulent, dans les différents régimes de paramètres des plasmas de bord des tokamaks. Pour cela, un modèle réduit non-linéaire Tokam1D a été développé. Il étudie l’évolution des profils moyens et des fluctuations de manière auto-cohérente dans un régime contrôlé par le flux. Pour permettre l’auto-organisation de la turbulence aux méso-échelles, aucune séparation d’échelle n’est présupposée. Le modèle inclut deux instabilités considérées comme dominantes : les ondes de dérive collisionnelles et l’interchange. Leurs paramètres de contrôle dépendent différemment des paramètres plasma, de sorte que différents régimes sont attendus dans les plasmas de bord des tokamaks. Le modèle est réduit à une dimension, en ne conservant qu'un seul mode parallèle et poloïdal pour les fluctuations, dans l'esprit d'une approche quasi-linéaire généralisée. Un large balayage des paramètres de contrôle des instabilités permet de cartographier le comportement du plasma de bord. Des régimes dominés par les écoulements sont prédits à faible collisionnalité ou à grande courbure magnétique. Cette dernière favorise la turbulence de type interchange, caractérisée par des événements de transport en avalanches et des ZF structurés radialement, conduisant à des profils de pression en escaliers appelés staircases. Les ZF sont générés par les composantes électrique et diamagnétique du tenseur de Reynolds. Leur corrélation et leur amplitude relative varient avec le régime de turbulence. La capacité du système à conserver de l’énergie dans le profil de pression comme dans les écoulements d’équilibre détermine l’existence des staircases, lesquels optimisent le confinement. Les avalanches sont caractérisées par une fonction de corrélation radiale à deux pentes : la première est attribuée à la turbulence à petite échelle, la seconde capture la longueur typique de l’avalanche. Des études expérimentales ont été réalisées sur Tore Supra (CEA) et TCV (EPFL) en utilisant deux systèmes DBS. Sur Tore Supra, des corrélations à longue distance sont observées en utilisant des DBS séparés poloïdalement et toroïdalement. En filtrant les modes géodésiques acoustiques, des signatures des ZF à basse fréquence sont identifiées. Sur TCV, des fonctions de corrélation radiale sont obtenues à l’aide d’un double système DBS. Deux longueurs typiques sont observées, comme dans les simulations. Ce résultat constitue une preuve indirecte supplémentaire de l'existence d'événements de type avalanche dans les plasmas de tokamaks, notoirement difficiles à observer.

This PhD work is a step forward in the characterisation of turbulence self-organization in edge tokamak plasmas, key player in transport and confinement. Three main results are obtained: the plasma parameter regimes prone to turbulence self-organization are identified, some of the underlying physical mechanisms at work are unravelled, and some experimental evidence of self-organization is obtained by means of Doppler Back-scattering (DBS) measurements in tokamak plasmas.Tokamaks aim at confining hot plasmas by means of large magnetic fields. The last closed flux surface separates the confined inner region from the scrape-off layer where the plasma interactàs with materials. In the tokamak operational regime, cross-field transport – hence confinement – is governed by micro-scale turbulence. Understanding the mechanisms of its saturation would open the route towards its possible control. Plasma conditions at the edge transition region are key. In this region, turbulence generates avalanche transport events, which deteriorates the confinement, and zonal flows that efficiently contribute to turbulence saturation. Understanding and predicting turbulence self-organization – i.e. the self-consistent interplay between potentially radially structured ZFs, flux-surface averaged profiles and turbulent transport – in the various parameter regimes of edge tokamak plasmas constitutes the backbone of this work.To this aim, the reduced nonlinear model Tokam1D, developed on purpose, evolves the mean profiles and the fluctuations in a self-consistent manner in the flux-driven regime. Importantly, in view of studying turbulence self-organization at mesoscales, no scale separation is assumed. The model features two instabilities thought to be dominant at the edge, namely collisional drift waves CDW, originating from a finite phase shift between density and electric potential fluctuations, and interchange due to the magnetic field inhomogeneity (curvature). Their control parameters exhibit different dependencies with respect to plasma parameters, so that different regimes can be expected in edge tokamak plasmas. The model is reduced to 1-dimension by retaining a single parallel and poloidal mode for the fluctuations, in the spirit of a generalized quasilinear approach.A large scan of the instability control parameters, both at fixed source and fixed distance-to-threshold, allows one to pave the edge plasma parameter space. Large flow-to-turbulence energy ratios are predicted at low collisionality or large magnetic curvature. The latter favours interchange turbulence characterised by avalanche-like transport events and radially-structured ZFs leading to corrugated pressure profiles known as staircases. ZFs are driven by the electric and diamagnetic components of the Reynolds stress, whose phase alignment and relative amplitude vary with the turbulence regime. The system's freedom to store energy both in the pressure profile and mean flows is shown crucial to the staircase existence. Overall, the confinement is improved in regimes featuring staircases. Experimentally measurable signatures of avalanches are found in the form of a two slope radial correlation function, the smallest slope attributed to small-scale turbulent eddies, the largest capturing the avalanche typical propagation length.Experimental studies have been carried out on the Tore Supra (CEA Cadarache) and TCV (EPFL) tokamaks using a two-channel DBS for correlations. In Tore Supra long range correlations are observed when using poloidally and toroidally separated channels. When filtering out dominating geodesic acoustic modes, signatures of the elusive low frequency ZFs are found. In TCV, measurements using two co-located channels exhibit radial correlation functions with two slopes in certain regimes similarly to simulations. This result constitutes an additional indirect proof of the existence of avalanche events in tokamak plasmas, notoriously difficult to diagnose.