Modelling the turbulent transport of angular momentum in tokamak plasmas - A quasi-linear gyrokinetic approach

par Pierre Cottier

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pascale Hennequin-Blondet.

Soutenue en 2013

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Modélisation du transport turbulent de moment angulaire dans les plasmas de tokamak - Une approche gyrocinétique quasi-linéaire


  • Résumé

    Le confinement magnétique dans les tokamaks est à l'heure actuelle la voie la plus avancée pour produire de l'énergie par fusion thermonucléaire. Des études théoriques et expérimentales ont montré que la génération de rotation permet d'en augmenter les performances par la réduction du transport turbulent à l'œuvre dans les plasmas de tokamaks. L'influence de la rotation sur les flux turbulents de chaleur et de particules ainsi que le transport du moment angulaire sont étudiés par simulation numérique dans le cadre du code gyro-cinétique, quasi-linéaire QuaLiKiz. A cette occasion, le code QuaLiKiz est modifié pour prendre en compte la rotation du plasma et calculer le flux de moment angulaire. Il est montré que le cadre de travail de QuaLiKiz permet de calculer le flux de moment angulaire y compris le stress résiduel induit par le cisaillement du champ électrique radial ainsi que l'effet de la rotation sur les flux de chaleur et de particules. Les approximations majeures du formalisme utilisé, en particulier la représentation de ballonnement à son ordre le plus bas et l'utilisation de fonctions propres analytiques calculées dans la limite hydrodynamiques, sont analysées en détail et leur validité vérifiée. La construction des flux quasi-linéaires est ensuite détaillée et le flux quasi-linéaire de moment angulaire dérivé. Les différentes contributions au flux turbulent de moment angulaire sont étudiées et comparées avec succès à la fois aux données de simulations gyro-cinétiques non-linéaires ainsi qu'aux données expérimentales.


  • Résumé

    The magnetic confinement in tokamaks is for now the most advanced way towards energy production by nuclear fusion. Both theoretical and experimental studies showed that rotation generation can increase its performance by reducing the turbulent transport in tokamak plasmas. The rotation influence on the heat and particle fluxes is studied along with the angular momentum transport with the quasi-linear gyro-kinetic eigenvalue code QuaLiKiz. For this purpose, the QuaLiKiz code is modified in order to take the plasma rotation into account and compute the angular momentum flux. It is shown that QuaLiKiz framework is able to correctly predict the angular momentum flux including the $$\exb$$ shear induced residual stress as well as the influence of rotation on the heat and particle fluxes. The major approximations of QuaLiKiz formalisms are reviewed, in particular the ballooning representation at its lowest order and the eigenfunctions calculated in the hydrodynamic limit. The construction of the quasi-linear fluxes is also reviewed in details and the quasi-linear angular momentum flux is derived. The different contributions to the turbulent momentum flux are studied and successfully compared both against non-linear gyro-kinetic simulations and experimental data.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (118 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 168 réf.

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