Chaos hamiltonien dans les plasmas de fusion

Hamiltonian chaos into fusion plasmas

• Auteur / Autrice : Benjamin Cambon
• Direction : Xavier Leoncini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 16/09/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Serge Lazzarini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexei Vasiliev, Xavier Garbet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie christine Firpo, Duccio Fanelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Opérateur hamiltonien

Réacteur expérimental thermonucléaire international

Fusion au plasma

Fusion nucléaire

Mots clés libres

Fusion

Plasma

Chaos

Integrabilité

Itb

Trajectoires

Hamiltonien

Dynamique

Fusion

Plasma

Chaos

Integrability

Itb

Trajectory

Hamiltonian

Dynamics

Résumé

Notre travail se portera sur l’étude de la trajectoire exacte d’une particule chargée dans un champ magnétique de type tokamak. Nous considérerons des particules tests plongées dans un champ magnétique indépendant du temps. Par définition, elles n’interagissent pas entre-elles et n’ont aucun effet sur le champ magnétique. Le but de notre étude sera alors de mettre en évidence des différences de comportement majeures entre d’une part les trajectoires des particules et d’autre part les lignes de champ magnétique. Nous commencerons dans une première partie par expliciter nos motivations. Les techniques employées aujourd’hui pour simuler la dynamique d’un plasma de fusion reposent sur des modèles magnétohydrodynamiques ou gyrocinétiques dont les hypothèses sont parfois contestables. Nous exposerons ensuite l’approche hamiltonienne choisie pour simuler la trajectoire exacte d’une particule et introduirons les différents outils dont nous aurons besoin. Dans la seconde partie, nous présenterons brièvement l’outil numérique développé qu mettra en évidence des différences de comportements importantes entre ligne de champ et trajectoire de particule. Dans un premier temps, nous exhiberons du chaos de trajectoire en présence de ligne de champ intégrable en ajoutant au champ magnétique idéal une perturbation. Un même résultat sera démontré dans le cas d’un champ magnétique idéal axisymétrique. Ce résultat entrainera des questions importantes autour de l’invariance du moment magnétique μ. Enfin, la dernière partie de ce manuscrit portera sur le comportement des particules tests en présence d’un champ magnétique potentiellement chaotique.

We will work on the study of the exact trajectory of a charged particle within a magnetic field of the tokamak type. We will consider test particles immerged into a timeindependent magnetic field. They don’t interact with each other and have no effect on the magnetic field. The objective of our study will be to prove major behaviour differences between the particles’ trajectories and the magnetic field lines. We will start in part one by making our motivations explicit and especially see that the technics used nowadays to simulate the dynamic of fusion plasma are based on magnetohydrodynamic or gyrokinetic models which hypotheses are sometimes debatable. We will then present the Hamiltonian approach chosen to simulate the exact trajectory of a particle, and will introduce the various tools we will later need, including the characterizationof chaotic phenomena. we will briefly the developed digital tool which will highlight behaviour differences between field line and particle trajectory. Initially, we will exhibit trajectory chaos in the presence of integrable field lines by adding a perturbation to the ideal magnetic field. In a second phase, we will show that a similar result can be proven in the case of an asymmetrical ideal magnetic field. This result will lead to substantial questions regarding the invariance of the μ. The last part of this manuscript will finally focus on the behaviour of the test particles in the presence of a potentially chaotic magnetic field.