Tungsten transport in a tokamak : a first-principle based integrated modeling approach

par Sarah Breton

Thèse de doctorat en Energie, Rayonnement, Plasma

Sous la direction de Yannick Marandet.

Le président du jury était Peter Beyer.

Le jury était composé de Francis Casson, Clarisse Bourdelle.

Les rapporteurs étaient Alberto Loarte, Frank Jenko.

  • Titre traduit

    Transport du tungstène dans un tokamak par une modélisation intégrée premiers principes


  • Résumé

    La fusion par confinement magnétique est actuellement la voie la plus avancée pour produire de l’énergie grâce à la réaction de fusion. L’un des défis à relever concerne la contamination du plasma par le Tungstène (W), un matériau capable de résister aux hauts flux de chaleur. A cause de son grand nombre atomique, le W rayonne dans les plasmas de tokamak. S’il s’accumule au cœur du tokamak, il refroidit le plasma. Il est donc crucial de comprendre les mécanismes du transport du W et d’identifier les paramètres favorisant son accumulation. Le W interagit de façon non-linéaire avec les différents paramètres du plasma. La simulation intégrée est le seul outil permettant à tous ces paramètres d’être simulés de façon auto-consistante durant plusieurs temps de confinement. Pour la première fois, l’outil de simulation intégrée est couplé à des codes de transport premiers principes modélisant de façon auto-consistante les transports turbulent et collisionnel du W, les profils de densité, température, rotation, radiation, et l’évolution du chauffage. Pour des raisons numériques, certains phénomènes ne sont pas modélisés et l'interaction plasma/paroi interne est simplifiée. A chaque pas de temps, cette simulation reproduit avec succès les signaux expérimentaux et le comportement du W. De plus, des acteurs responsables de l’accumulation du W (la rotation et la source centrale de particules) sont identifiés. Enfin, la simulation intégrée a permis de mettre en lumière l’effet stabilisant du W sur la turbulence. Le travail accompli montre que la simulation intégrée premiers principes permet désormais d'optimiser à l'avance les scénarios de plasma afin d'y limiter l'accumulation de W.


  • Résumé

    Magnetic confinement fusion is currently the most advanced way to produce energy thanks to Deuterium/Tritium reaction. One of the challenges is the limitation of the reaction contamination because of Tungsten (W), a material capable of resisting high heat fluxes. W large atomic number causes W to radiate inside tokamak plasmas. If W accumulates in the central part, it cools down the plasma. It is therefore crucial to understand the mechanisms of W transport and identify the actuators of the accumulation process. W transport is involved in complex interplays with the plasma parameters (density, temperature, rotation). Therefore the use of integrated modeling is mandatory in order to evolve self-consistently all those parameters for several confinement times. For the first time, an integrated modeling tool is coupled to first-principle transport codes to self-consistently simulate the time evolution of the W behavior, as well as the evolution of density, temperature, rotation profiles, radiation and external heating. For numerical reasons, several phenomena are not modeled, and the physics of the interaction with the inner wall is simplified. At each time step, this simulation successfully reproduces experimental profiles and the W central accumulation. Moreover, actuators of the central W accumulation (rotation and central particle fueling) were identified. Finally, integrated modeling simulation allowed bringing out a very interesting non-linear mechanism: the stabilizing effect of W on turbulence. This work demonstrates that first-principles integrated modeling now allows to design and optimize in advance plasma scenarios with limited W central accumulation.

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