Modélisation des disruptions déclenchées par injection massive de gaz dans les plasmas de tokama

Modeling of massive gas injection triggered disruptions in tokamak plasmas

• Auteur / Autrice : Alexandre Fil
• Direction : Peter Beyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 25/09/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Piero Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Lehnen, Eric Nardon, Alain Becoulet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hinrich Lutjens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétohydrodynamique

Fusion au plasma

Tokamaks

Mots clés libres

Tokamak

Plasma

Disruption

Énergie

Magnetohydrodynamique

Modélisation

Injection massive de gaz

Tokamak

Plasma

Disruption

Energy

Magnetohydrodynamics

Modeling

Massive gas injection

Résumé

Les disruptions du plasma sont des phénomènes se produisant dans les tokamaks et qui entraînent une perte totale du confinement du plasma et la fin de la décharge. Ces disruptions sont des phénomènes rapides et violents et peuvent endommager les murs du tokamak ainsi que sa structure si elles ne sont pas contrôlées. Un système de mitigation des disruptions est donc indispensable pour ITER afin de réduire les forces électromagnétiques, mitiger les charges thermiques et éviter les électrons runaways générés par les disruptions du plasma. Remplir tous ces objectifs fait du design de ce système une tâche difficile, pour laquelle un apport conséquent de l’expérience et de la modélisation est nécessaire. Nous présentons dans cette thèse des résultats de modélisation sur l’amortissement des disruptions par injection massive de gaz, qui est une des méthodes principales envisagées sur ITER pour le système de mitigation. Premièrement, un modèle issu des premiers principes pour décrire le transport des neutres dans un plasma est donné et est appliqué à l’étude de l’interaction entre l’injection massive de gaz et le plasma. Les principaux mécanismes en jeu sont décrits et étudiés. L’échange de charge entre les neutres et les ions du plasma est isolée comme jouant un rôle majeur dans cette dynamique. Ensuite, le code 3D de Magnétohydrodynamique non linéaire JOREK est appliqué à l’étude des disruptions déclenchées par injection massive de gaz. Un intérêt particulier est porté sur la phase de quench thermique et les phénomènes MHD qui le déclenchent. Les résultats obtenus avec ce code sont comparés avec les expériences effectuées sur le tokamak JET.

Plasma disruptions are events occuring in tokamaks which result in the total loss of the plasma confinement and the end of the discharge. These disruptions are rapid and violent events and they can damage the tokamak walls and its structure if they are not controlled. A Disruption Mitigation System (DMS) is thus mandatory in ITER in order to reduce electromagnetic forces, mitigate heat loads and avoid Runaway Electrons (RE) generated by plasma disruptions. These combined objectives make the design of the DMS a complex and challenging task, for which substantial input from both experiments and modeling is needed. We present here modeling results on disruption mitigation by Massive Gas Injection (MGI), which is one of the main methods considered for the DMS of ITER. First, a model which stems from first principles is given for the tranport of neutrals in a plasma and applied to the study of the interaction of the MGI with the plasma. Main mechanisms responsible for the penetration of the neutral gas are described and studied. Charge-exchange processes between the neutrals and the ions of the plasma is found to play a major role. Then, the 3D non linear MHD code JOREK is applied to the study of MGI-triggered disruptions with a particular focus on the thermal quench phase and the MHD events which are responsible for it. The simulation results are compared to experiments done on the JET tokamak.