Impact d'une perturbation magnétique 3D non axisymétrique sur le transport et la turbulence dans le plasma de bord des tokamaks

Impact of 3D non axisymmetrical magnetic perturbations on the transport and turbulence in the edge plasma of tokamaks

• Auteur / Autrice : Benjamin Luce
• Direction : Eric Serre, Patrick Tamain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Fusion magnétique
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence) - Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance)
• Jury : Président / Présidente : Peter Beyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laure Vermare
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexander Kendl, Hinrich Lütjens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation quantique

Turbulence

Tokamaks

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Fusion

Plasma de bord

Sol

Turbulence

Transport

Rmp

Ripple

Fusion

Edge plasma

Sol

Turbulence

Transport

Rmp

Ripple

Résumé

L’évacuation des flux de chaleur et l’augmentation du temps de confinement sont les deux principaux défis pour les tokamaks. Ils sont directement en lien avec le transport perpendiculaire vers le mur. Le mode H réduit le transport perpendiculaire mais crée des relaxations, les ELMs, responsables d’un afflux de chaleur excessif sur les murs. Pour contrôler les ELMs, des perturbations magnétiques 3D (MPs) ont été ajoutées. Certains impacts des MPs ont été étudiés mais peu de données existent sur la turbulence. Dans cette thèse, nous modélisons le plasma de bord, avec un code fluide 3D électrostatique turbulent, TOKAM3X et un à champs moyens, SOLEDGE3X-HDG.Avec TOKAM3X, nous observons l’impact de MPs sur la turbulence de bord. Nous commençons par des simulations isothermes électrostatiques avec une MP mode simple dans une géométrie circulaire limiteur. Des observations expérimentales ont été reproduites. Les MPs impactent modérément la turbulence. Nous passons sur des simulations non isothermes et montrons l’importance du découplage entre particule et énergie. Des tendances expérimentales sont retrouvées. L’impact sur la turbulence est à nouveau modéré. Une analyse des conséquences de ces observations sur les simulations à champs moyens est proposée par à une comparaison directe. Des différences significatives sont observées par rapport aux simulations turbulentes. Enfin, les premiers résultats sur des simulations à champs moyens TOKAM3X avec des MPs plus réalistes sont présentés. Une extension de ce travail a été implémentée sur SOLEDGE3X-HDG pour explorer des géométries et MPs plus complexes (ripple en géométrie WEST)

The power exhaust and the increase of the confinement time are two major challenges for tokamaks. These are linked to the perpendicular, mostly turbulent transport toward the wall. The H-mode reduces the perpendicular transport but is associated with deleterious relaxation events, the ELMs, which lead to unreasonnable transient heat fluxes. In order to control the ELMs. 3D magnetic perturbations (MP) have been added. If some impacts of MPs have been studied, few data exist on their impact on the turbulent transport.In this thesis, we model the edge plasma, from the outer core to the Scrape-Off Layer (SOL), with a 3D electrostatic fluid turbulent code, TOKAM3X and a mean-field one, SOLEDGE3X_HDG. With the TOKAM3X, we observe the impact of 3D MPs on edge turbulence. We start with an electrostatic isothermal model with single mode MP in a limiter circular geometry. This study reproduces some experimental observations. The MPs only moderately impact turbulence properties. A complexification of the model is done, with non isothermal simulations. We show that the decoupling of particles and energy is important. Experimental trends are recovered. The impact on turbulence is still moderated. An analysis of the consequences of such findings for mean-field simulations is then proposed through a direct comparison. It shows a significant difference with turbulentsimulations. Finally, first results in the direction of more realistic MPs spectra are presented, using TOKAM3X mean-field cases as a start. An extension of this work is done on SOLEDGE3X_HDG in more complex geometries and even simulating a realistic ripple in WESTgeometry