Etude de la dynamique des structures cohérentes filamentaires dans les plasmas de bord turbulents de tokamak par la simulation numérique

The numerical study of filament dynamics in tokamak scrape-off layer plasmas

• Auteur / Autrice : William Agnelo Gracias
• Direction : Eric Serre, Luis García Gonzalo, Richard A. Pitts
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 26/11/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Universidad Carlos III (Madrid)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Carlos Hidalgo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raul Sanchez, Luis Conde Lopez, Teresa Estrada, Jean-Marc Layet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Turbulence

Plasmas (gaz ionisés)

Fusion nucléaire par confinement magnétique

Mots clés libres

Sol

Tokamak

Bord

Filaments

Blobs

Fusion nucléaire

Nuclear fusion

Tokamak

Edge

Filaments

Sol

Blobs

Résumé

La présence de structures filamentaires est souvent rapportée dans plusieurs machines de fusion nucléaire à confinement magnétique, spécialement sur lequel s'appelle Tokamak. Etant porteurs de grandes quantités des particules et chaleur, la présence des filaments dans le bord du tokamak (le scrape-off layer, SOL) pourraient poser des dangers aux superficies solides du tokamak. Pour mieux comprendre leur comportement, dans le cadre de cette thèse doctorale, les filaments sont étudiés par les expériences numériques en utilisant un modèle 3D fluide istherme, TOKAM3X en les considerant comme structures isolées et structures spontanées. Cette manière de les étudier permet de faire divers analyses paramétriques – par exemple la resistivité parallèle du plasma et la présence d'un cisaïllement magnétique, et au même temps les propriétés du filaments (comme sa longeur parallèle, et son intensité de densité). Ces études montrent un impact fort de la resistivité parallèle sur la velocité des filaments et en conséquence peut modifier leur temps de vie dans le bord de la machine. Les résultats des simulations sur le cisaïllement magnétique et la séparatrice indiquent qu'ils sont des ingrédients clés pour la destruction et génération des filaments. En plus, la comparaison entre les filaments initialisés (seeded) et les filaments formés spontanément montre qu'ils ne sont pas parreils dans leur comportement, bien que leurs characteristiques moyennées en temps sont bien conservées.

Filamentary transport has been experimentally observed in a multitude of magnetically confined fusion devices, especially of the tokamak type. Filaments are carriers of large quantities of particles and heat and as such, their presence in the SOL has implications for the target surface design in future fusion reactors. To better understand their nature, this doctoral thesis studies filaments through computer simulations as isolated structures and spontaneously forming structures, using a 3D fluid model called the TOKAM3X. Parametric studies using the model for studying the effect of the plasma's parallel resistivity and magnetic shear, and also the filament's parallel extension and size/density amplitude are performed and analysed. The studies reveal the strong impact of the parallel resistivity on filament velocities and hence their lifetimes in the SOL. The doctoral work also looked at the impact of strong local magnetic shear and the separatrix on the motion and generation of filaments. The results from the simulations performed reveal that strong shear mechanisms may be key to the destruction and formation of filaments. Further, a comparison of spontaneously forming and seeded filaments shows that seeded filaments do not behave completely the same way as spontaneously forming ones. But their mean velocity characteristics are still retained to a good degree.