Study of the impact of zonal flow on turbulence in plasmas, LH transition and entropy production.
Etude de l’impact des flux zonaux sur la turbulence dans les plasmas, sur la transition L-H et la production d’entropie.
Résumé
One of the main obstacle to the success of thermonuclear magnetic confinement fusion is turbulence, which is mainly responsible for radial transport towards the walls. A shell model is used to study the mecanism of turbulence suppression by zonal flows, which are considered to play an important role in the L-H transition. Based on generalized Hasegawa-Mima equations, it gives an insight of predator-prey interactions between zonal flows and drift wave turbulence. The collisional drag of zonal flows is shown to play a major role in the behaviours of the system that is considered. With a larger number of shells, this model agrees well with the suppression rule of turbulence by ExB
shear. According to the model, potential enstrophy transfer occurs from injection scales toward dissipation scales, resulting from the action of the shear flow.
On the other hand, a simple radial transport model is proposed. With three equations for the evolution of pressure, density, and intensity of turbulence, it can reproduce a basic mecanism of L-H transition. The influence of serveral parameters of the system on the nature of L-H transition is highlighted.
Then, a new multi-scales model is built by coupling both transport and shell models, in order to reproduce the L-H transition in real space and k-
space simultaneously. The behaviour of the system is somewhat similar to several experimental observations, and the crucial role of zonal flows as a trigger of L-H transition is underlined. Due to its spectral nature, the coupled model allows us to predict the self-consistent flattening of the spectrum when the H mode is reached. The influence of turbulence spreading on the dynamic of L-H transition is also discussed. Finally, an interpretation of the L-H transition through entropy production is proposed.
Un des obstacles principaux au succès de la fusion thermonucléaire par confinement magnétique réside dans la présence de turbulence qui engendre un transport radial du plasma vers les parois des tokamaks. Pour étudier le mécanisme de réduction de la turbulence par les flux zonaux, qui permet d'atteindre un mode de confinement élevé, un modèle en couches dans l'espace de Fourier est utilisé. Basé sur les équations d'Hasegawa-Mima généralisées, il a permis d'étudier finement la dynamique des interactions de type prédateurs-proies entre les flux zonaux et la turbulence d'onde de dérive, soulignant l'importance du rôle du phénomène de friction des flux zonaux dans le comportement du système considéré. Une fois étendu à un plus grand nombre de couches, le comportement du système est en accord avec la règle de suppression de la turbulence par le cisaillement ExB
. Le modèle révèle le transfert d'enstrophie potentielle turbulente qui se produit depuis les échelles d'injection vers les échelles de dissipation, résultant directement de l'action du cisaillement.
Parallèlement, un modèle simple de transport radial en une dimension est proposé. En incluant l'évolution de la pression, de la densité, et de l'intensité de la turbulence, il permet de reproduire un mécanisme basique de transition L-H. L'influence de plusieurs paramètres du modèle sur la nature de la transition L-H est mise en évidence.
Un troisième modèle couplant les deux précédents est alors construit pour reproduire la phénoménologie de la transition L-H en incluant les aspects spatial et spectral. Un comportement similaire aux observations expérimentales est constaté, et le rôle prépondérant des flux zonaux dans le déclenchement de la transition est mis en évidence. A l'aide de son aspect spectral, le modèle couplé prédit un aplatissement auto-cohérent du spectre turbulent lors de l'accès au mode H. L'impact de la diffusion radiale de la turbulence sur la dynamique de la transition est aussi discuté. Dans la dernière partie, une interprétation de la transition L-H à partir de la production d'entropie est proposée.
Loading...