Analyse du transport turbulent dans la zone centrale des plasmas de tokamaks à haut confinement

Analysis of turbulent transport in the central part of high-confinement tokamak plasmas

• Auteur / Autrice : Neeraj Kumar
• Direction : Mohamed Sadruddin Mohamed-Benkadda, Clarisse Bourdelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Energie, rayonnement, plasma
• Date : Soutenance le 02/02/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires (Marseille ; 2012-....) - Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance) - ITER Organization (St-Paul-Lez-Durance ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Alberto Loarte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jonathan Citrin, Francis Casson, Yann Camenen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paola Mantica, Clemente Angioni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Tokamaks

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasma

Fusion magnétique

Transport de turbulence

Quasi-Linear

Gyrokinetic

Tokamak

Plasma

Magnetic fusion

Turbulence transport

Quasi-Linear

Gyrokinetic

Tokamak

Résumé

Le transport turbulent dans la région centrale est exploré dans un plasma à haut β en mode H hybride du tokamak JET au moyen de simulations linéaires et non-linéaires effectuées avec le code gyrocinétique GKW dans la limite locale. Par rapport aux travaux précédents, l'analyse est étendue à la région ρ > 0.3 et révèle que les Kinetic Ballooning Modes (KBM) y sont linéairement instables, contrairement à la région ρ > 0.3 où les modes Ion Temperature Gradient dominent. Des simulations spécifiques à ρ=0.15 ont permis d'identifier le faible cisaillement magnétique et la haute pression normalisée du plasma, β, comme étant les deux principaux paramètres clefs permettant la déstabilisation des KBM par le relativement faible gradient de pression des ions principaux. Les ions rapides ont un effet légèrement stabilisant lorsqu'ils sont inclus dans les simulations. L'étude est ensuite étendue au régime non-linéaire. La turbulence induite par les KBM génère un flux significatif d'énergie thermique ionique et électronique. De manière inattendue, des modes de micro-déchirement (MTM) linéairement stables sont excités non-linéairement et génèrent un flux non-négligeable d'énergie thermique électronique lié aux fluctuations du champ magnétique. Des modèles quasi-linéaires standards sont ensuite comparés aux résultats non-linéaires. Ces modèles reproduisent raisonnablement bien les flux E x B, mais mésestiment le flux d'énergie thermique électronique résultant de l'excitation non-linéaire des MTMs. Une extension des modèles quasi-linéaire est proposée qui permet de mieux reproduire le flux d'énergie lié aux fluctuations du champ magnétique

Turbulent transport is investigated in the central region of the high-β JET hybrid H-mode discharge 75225 by means of linear and non-linear gyro-kinetic (GK) simulations using the GK code GKW in the local approximation limit. Compared to previous work, the analysis is extended towards the magnetic axis, ρ > 0.3, where the turbulence characteristics remain an open question. In contrast to the region ρ > 0.3 where Ion Temperature Gradient modes are the most unstable modes, the linear stability analysis indicates that Kinetic Ballooning Modes (KBM) dominate in the central region. A dedicated analysis performed at ρ=0.15 reveals that the main parameters responsible for the destabilisation of KBMs in these hybrid H-modes are the high β and low magnetic shear values. The KBMs are driven by the main ion pressure gradient with little influence of the electron temperature gradient. Including fast-ions as a kinetic species in the simulations has a slight stabilising effect. The study is then extended to the non-linear regime. It is found that the turbulence induced by these KBMs drives a significant ion and electron heat flux. Interestingly, linearly stable micro-tearing-modes (MTM) are excited non-linearly and drive a sizeable magnetic flutter electron heat flux. Standard quasi-linear models are compared to the non-linear results. The standard reduced quasi-linear models work reasonably well for the E x B fluxes, but fail to capture magnetic flutter contribution to the electron heat flux induced by the non-linear excitation of the MTMs. An extension of the quasi-linear models is proposed allowing to better capturing the magnetic flutter flux