Thèse soutenue

Etude des flux de matière dans le plasma de bord des tokamaks : alimentation, transport et turbulence

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Auteur / Autrice : Patrick Tamain
Direction : Roland Stamm
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique des plasmas. Rayonnement et plasmas
Date : Soutenance en 2007
Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

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Résumé

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Le transport de la matière dans la zone de bord des tokamaks joue un rôle déterminant à la fois au centre sur les performances du plasma, puisqu’il gouverne l’établissement des profils de densité à partir de l’alimentation externe en particules, et en périphérie sur la durée de vie des composants face au plasma, puisqu’il fixe les flux de particules et d’énergie tombant sur les parois. Ce sujet reste cependant relativement peu exploré car l’interaction du plasma avec d’importants puits et sources de matière, quantité de mouvement et énergie rend la modélisation complexe. Dans la perspective d’ITER, des interrogations subsistent en particulier sur la capacité des systèmes d’alimentation par injection de gaz à atteindre les niveaux de densité élevés souhaités sans dégrader le confinement du plasma, ainsi que sur la forme des profils de densité obtenus et l’intensité des écoulements de matière au bord. Cette thèse s’inscrit dans un effort visant à mieux cerner les mécanismes régissant les flux de matière dans le plasma de bord et leur impact sur ces questions. Dans une première phase de notre travail, nous proposons une approche originale pour la modélisation de l’alimentation par injection de gaz en nous focalisant sur l’impact thermique de l’injection sur le plasma. En nous appuyant sur des modèles analytiques et numériques à nombre réduit de dimensions, nous démontrons en particulier l’existence de bifurcations thermiques déclenchées par l’injection et leur importance dans la dynamique du dépôt de matière. On montre ainsi que dans le cas de Tore Supra, le refroidissement local lié à une forte injection peut permettre une pénétration accrue de la matière (r/a = 1. 1 à r/a = 0. 9 en rayon normalisé), mais peut également mener à un déséquilibre thermique de l’ensemble du plasma en deçà d’un certain ratio puissance de chauffage / source de particules. L’extrapolation de cette étude pour ITER reste pessimiste quant à la profondeur de pénétration des neutres injectés. Toutefois, la sensibilité des résultats de ces modèles simplifiés à l’interaction entre les directions parallèle et perpendiculaire au champ magnétique montre la nécessité de développer des outils numériques modélisant de façon cohérente le transport de la matière dans les deux directions. Ceci a mené au développement d’un nouveau code 3D, présenté dans la seconde partie de ce travail. Il s’agit d’un code global en géométrie torique, prenant en compte les effets de courbure. Il résout les équations de dérive fluide électrostatique sans hypothèse de séparation d’échelle, ce qui permet de traiter avec le même outil les problématiques de transport à grande échelle comme les phénomènes de turbulence à petite échelle. Deux versions du code ont été développées et validées : l’une se place dans les lignes de champ fermées ; l’autre, plus lourde numériquement, inclut à la fois la Scrape Off Layer (SOL) et la partie externe du plasma confiné. Dans une dernière partie, le code est appliqué à la problématique des asymétries poloïdales sur les écoulements de matière dans la SOL, observées expérimentalement mais dont l’origine reste difficile à expliquer. Les simulations reproduisent l’ordre de grandeur des amplitudes mesurées et mettent à jour deux mécanismes distincts susceptibles de jouer un rôle dans ce phénomène, l’un à grande échelle, l’autre au niveau de la turbulence. Le premier vient d’un couplage entre les dérives à grande échelle et les effets de courbure dans la SOL, le second est lié à un ballonnement du flux radial turbulent côté faible champ. Enfin, l’importance de la résistivité parallèle du plasma sur les caractéristiques du transport turbulent est analysée et nous revenons sur l’impact d’une injection localisée de matière sur les propriétés de la turbulence.