Impact de la composition du plasma et du rapport d’aspect sur les performances globales du tokamak

Impact of plasma composition and aspect ratio on overall tokamak performance

• Auteur / Autrice : Valeria Ostuni
• Direction : Clarisse Bourdelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, rayonnement et plasma
• Date : Soutenance le 28/10/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache (Bouches-du-Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Hennequin-Blondet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jorge Morales, Yanick Sarazin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Federico Felici, Jonathan Citrin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation électromagnétique

Tokamaks

Tungstène

Mots clés libres

Loi d'échelle

Rapport d'aspect

Tungstène

Modélisation intégrée

Collapse radiatif

Scaling law

Aspect ratio

Tungsten

Integrated modelling

Radiative collapse

Résumé

WEST est la machine métallique avec comme caractéristiques une valeur d'aspect ratio de 5-6 et la paroi interne recouverte en tungstène. La dépendance paramétrique du temps de confinement par rapport au rapport d'aspect est obtenue en ajoutant les données WEST à la base de données ITER. La base de données WEST contient plus de 1000 entrées en mode L, deutérium uniquement, chauffées par l'hybride et par résonance cyclotronique ionique. En injectant 1000 plateaux WEST aux 1312 entrées existantes, le coefficient de régression calculé associé au rapport d'aspect est proche de zéro. Dans la base de données, on a observé que deux états de confinement différents coexistent, les branches froide (Te(0)>2keV) et chaude (Te(0)<2 keV). De plus, les 25% des plateaux détectés sont dus à un `collapse rapide de la température centrale des électrons de la branche chaude à la branche froide. La modélisation intégrée est utilisée pour explorer la chaîne de causalité du collapse (RAPTOR couplé au réseau neuronal 10D QuaLiKiz, LUKE pour calculer le profil de dépôt de puissance LHCD). Pour capturer la vitesse du collapse, il faut un pic de tungstène et une réduction de l'absorption centrale du LHCD. Lorsque l'absorption de puissance LHCD centrale est réduite, les profils de température des électrons et des ions au centre s'aplatissent, ce qui réduit le transport thermique néoclassique du tungstène et conduit à l'accumulation de tungstène observée dans le centre. En prenant en compte l'augmentation de la densité de tungstène et la diminution de la puissance LH injectée dans le centre du plasma, le collapse de la température des électrons peut être reproduit.

WEST is the metallic machine with an aspect ratio of 5-6 and a tungsten coated inner wall. The parametric dependence of the confinement time on the aspect ratio is obtained by adding the WEST data to the ITER database. The WEST database contains more than 1000 L-mode, deuterium-only, hybrid-heated and ion cyclotron resonance entries. By injecting 1000 WEST trays into the existing 1312 entries, the calculated regression coefficient associated with the aspect ratio is close to zero. In the database, it was observed that two different confinement states coexist, the cold (Te(0)>2keV) and the hot (Te(0)<2 keV) branches. Moreover, the 25% of the detected plateaus are due to a rapid collapse of the central temperature of the electrons from the hot to the cold branch. Integrated modelling is used to explore the collapse causal chain (RAPTOR coupled to the QuaLiKiz 10D neural network, LUKE to calculate the LHCD power deposition profile). To capture the collapse rate, a tungsten peak and a reduction in the central LHCD absorption are required. When the central LHCD power absorption is reduced, the electron and ion temperature profiles in the centre flatten, reducing the neoclassical thermal transport of tungsten and leading to the observed tungsten accumulation in the centre. Taking into account the increase in tungsten density and the decrease in LH power injected into the plasma centre, the electron temperature collapse can be reproduced.