Description ''premiers principes'' d'une turbulence gyrocinétique collisionnelle dans un plasma de tokamak

First-principle description of collisional gyrokinetic turbulence in tokamak plasmas

• Auteur / Autrice : Guilhem Dif-Pradalier
• Direction : Peter Beyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tokamaks

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Théorie cinétique des plasmas

Résumé

En tant que milieu rarefie, un plasma de tokamak est affecte de maniere fondamentale par des effets resonants entre ondes et particules, par des phenomenes de piegeage locaux, des phenomenes d'orbite finie et est intrinsequement un milieu faiblement collisionnel. Pour toutes ces raisons, toute description auto-coherente de la reponse du plasma devra se faire dans le cadre de la theorie cinetique, avec inclusions des collisions coulombiennes. Grace aux developpements de la simulation numerique, est apparue la possibilite de calculer la turbulence dans les plasmas directement a partir des equations fondamentales. Mais la difficulte est considerable : les echelles de temps du systeme varient de la nanoseconde a plusieurs secondes ; les echelles d'espace vont de quelques micrometres a plusieurs metres, et sont differentes pour les deux especes (ions et electrons). En outre, le plasma presente une tres forte anisotropie, c'est-a-dire que ses proprietes varient en fonction de la direction consideree. Cette anisotropie est due a la presence du champ magnetique qui est le siege de nombreux phenomenes non lineaires. De plus, bien que les collisions coulombiennes conduisent en general a des niveaux de transport bien moindres que ceux generes par la turbulence, il n'est pas raisonnable de conclure que ces interactions binaires doivent etre negligees.

As a hot rarefied medium, a tokamak plasma is crucially affected by wave–particle resonances, trapping phenomena, orbit effects and is intrinsically low collisional. As such, any fully self-consisent description of its response is therefore kinetic, and includes collisions. Though they lead to usually smaller transport than the one generated by the turbulence, one may not conclude on collisions being negligible. The discovery of high-confinement regimes –which seem universal and reproducible features of fusion devices and as such are the foreseen operating scenari for iter– has led to a renewed interest in collisional theories. These regimes are indeed characterised by a local strong reduction of the turbulent activity; in that case, the transport processes may get very close to being collisional. Binary interactions are also important features for a kinetic theory since they alone may provide a correct description of equilibrium flows. Such large-scale sheared flows are of special relevance for the saturation mechanisms of the turbulence, potentially leading to high-confinement regimes. At last, there seems to exist a non trivial interaction between collisions and turbulence in tokamak-relevant operating regimes. Through these processes, collisions might indirectly have a strong influence on the actual level of transport; elucidating this interplay is a subject of great current focus for first-principle modeling.