Etude numérique des mécanismes gouvernant le transport de la chaleur dans le plasma de bord des Tokamaks

Numerical evaluations of mechanisms governing the heat transport in the edge plasma of tokamaks

• Auteur / Autrice : Camille Baudoin
• Direction : Philippe Ghendrih
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 08/02/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Marandet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jan Horacek, Patrick Tamain, Luc Vervisch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martine Baelmans, Etienne Gravier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion nucléaire par confinement magnétique

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Tokamaks

Mots clés libres

Tokamak

Turbulence

Physique des plasmas

Transport de la chaleur

Scrape-Off-Layer

Tokamak

Turbulence

Plasma physics

Scrape-Off-Layer

Heat transport

Résumé

La fusion nucléaire est une solution technologique prometteuse pour une nouvelle source d'énergie. Cependant, utiliser la par fusion nucléaire confinement magnétique comme source d'énergie constitue un challenge scientifique et technologique car cela requière à la fois un bon confinement du plasma de cœur et un contrôle des flux de chaleurs arrivant à la paroi. Ce travail est motivé par la problématique de la gestion des flux de chaleur dans les réacteurs de fusion. Cela est nécessaire pour éviter d'endommager les coûteux composants faisant face au plasma. La compréhension des mécanismes physiques régissant le transport de la chaleur dans le plasma de bord est une tâche critique pour le design des futures machines. Dans ce contexte, il est nécessaire de faire des prédictions fiables de l'étalement de la chaleur dans le but de dimensionner correctement ces futures machines. Cela appelle à un fondement théorique décrivant la manière dont l'énergie s'échappe du plasma. Des études théoriques et expérimentales ont tenté aboutir à cette fin, cependant les mécanismes en jeux ne sont toujours pas clairs. Pour atteindre ce but, la modélisation numérique est un complément nécessaire aux expériences. Ce travail de thèse est dédié à l'étude numérique des différents aspects du transport de la chaleur dans le plasma de bord un utilisant les approches fluides. Une attention particulière est porté à deux mécanismes suspectés de joué un grand rôle dans le transport de la chaleur : le transport intermittent due à la turbulence et le transport convectif à large échelle par les vitesses dérives. Le problème a été traité avec une approche graduelle en utilisant différent outils numériques.

Fusion devices are a promising solution for a new source of energy. However, using fusion reaction to produce power within a magnetic confinement is a scientific and technological challenge as it requires a high confinement in the core plasma at the same time as a good control of plasma exhaust on the material walls. This work is motivated by the key problematic of power handling in fusion power plants necessary to avoid damaging the expensive plasma facing components (PFC). The understanding of the physics underlying the heat transport, and more specifically is a critical task for the engineering design of future Tokamak devices. In this context, it is mandatory to make reliable predictions of the power spreading in order to correctly size the future Tokamaks. This calls for a theoretical ground describing the way energy escapes the core plasma through the separatrix and deposits on the PFCs. Some theoretical and experimental studies attempt to achieve such a task, however no definitive conclusion have been drawn yet. To achieve this goal, numerical modelling is a necessary complement to experimental results. This PhD work has been dedicated to the study of the different aspects of the heat transport in the edge plasma using a numerical fluid approach. Special focus was devoted to two types of mechanisms suspected to play an important role in the heat transport: intermittent turbulence; the large-scale convective transport.