Détermination des propriétés de la Turbulence dans les plasmas de fusion en développant une approche « Big Data »

Data-driven discovery approach to tackle turbulence in fusion plasmas

• Auteur / Autrice : Luigui Salazar
• Direction : Stéphane Heuraux, Roland Sabot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Gravier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Heuraux, Roland Sabot, Laure Vermare, Zwinglio Guimarães-Filho, Jorge Morales Mena
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Vermare, Zwinglio Guimarães-Filho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion nucléaire par confinement magnétique

Données massives

Plasmas (gaz ionisés) -- Confinement

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Mots clés libres

Plasma

Big data

Fusion

Résumé

L'un des moyens de parvenir à la fusion sur Terre est le confinement magnétique toroïdal, dont les principaux dispositifs sont les tokamaks et les stellarators. L'un des principaux paramètres limitants est la turbulence, qui résulte d'un mélange d'instabilités à différentes échelles temporelles et spatiales. L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension du transport turbulent, qui est l'interaction de cette turbulence avec les propriétés du plasma, dans les plasmas magnétiquement confinés, en se concentrant sur la caractérisation des fluctuations de densité et de leur dynamique à l'aide de la réflectométrie. À partir du spectre du signal fourni par la réflectométrie, chaque composante spectrale a été extraite à l'aide d'un algorithme développé dans cette thèse. Il effectue cette décomposition spectrale (composante LF, composante BB, modes QC et bruit) de manière intelligente (sans contraintes ad hoc), en préservant ses informations statistiques et physiques. Une attention particulière a été accordée à une composante spectrale, les modes QC, en raison de son lien avec TEM, une instabilité agissant dans le transport turbulent. Grâce à l'algorithme, les propriétés et la dynamique des modes QC ont été étudiées, permettant une étude statistique et une analyse détaillée de l'interaction avec d'autres composantes spectrales dans différentes configurations magnétiques : ToreSupra (limiteur), WEST (divertor) et W7X (island divertor). Ce travail est qualifié d'exploratoire car il n'existait pas de méthodes permettant d'accéder aux propriétés et à la dynamique de ces modes QC. Les études statistiques réalisées avec les bases de données ToreSupra et WEST ont fourni une carte de probabilité de l'occurrence des modes QC dans le régime de confinement ohmique, confirmant leur lien avec le TEM, mais aussi 2 classes supplémentaires, l'une à faible courant et l'autre à fort courant, ont été trouvées. La composante BB a également été analysée, car elle est liée à la microturbulence. Puisque l'amplitude spectrale de la composante BB est trouvée avec l'AGG, principalement μ et β, qui correspondent à l'assymétrie et à la forme du spectre, montrent une variation au cours de la transition. D'autre part, l'analyse de la dynamique des modes QC au moyen d'un algorithme développé dans cette thèse a montré une interaction récurrente entre les modes QC et les modes de la composante BF. Enfin, afin de mieux discriminer les modes QC, le concept d'entropie de transfert est utilisé pour analyser la causalité dans cette interaction. Certains cas montrent l'interaction entre la composante LF correspondant à l'instabilité sawtooth et les modes QC. Cette analyse de la dynamique et de la causalité est ensuite appliquée à ToreSupra, WEST et W7X, où l'on observe une dynamique similaire pour les signaux à causalité bidirectionnelle, c'est-à-dire non seulement de la composante LF vers les modes QC, mais aussi des modes QC vers la composante BB. En outre, l'ECRH est également examiné pour la base de données TS, qui montre une diminution de la probabilité des modes QC à mesure que le PECRH augmente. Comme ces modes QC apparaissent dans différentes configurations magnétiques, l'objectif ultime est de découvrir si tous ces modes QC sont produits par le même mécanisme, car on pense qu'il doit y avoir un mécanisme universel sous-jacent à la physique dans les plasmas de fusion, sujet qui est encore à l'étude.

One way to achieve fusion on Earth is through toroidal magnetic confinement, in which the main devices are tokamaks and stellarators. One of the main limiting phenomena is turbulence. This is the result of a mixture of instabilities on different temporal and spatial scales. The aim of this thesis was to contribute to the understanding of turbulent transport, which is the interaction of this turbulence with the plasma properties, in magnetically confined plasmas, focusing on the characterisation of density fluctuations and their dynamics using reflectometry. From the signal spectrum provided by reflectometry, each spectral component was extracted using an algorithm developed in this thesis. It performs this spectral decomposition(Low frequency component, Broadband component, QC modes and noise) in an intelligent way (without ad hoc constraints), preserving its statistical and physical information. Particular attention has been paid to a spectral component, the so-called QC modes because of its link with TEM, an instability acting in turbulent transport. Thanks to the algorithm, the properties and dynamics of the QC modes have been studied, allowing a statistical study and a detailed analysis of the interaction with other spectral components in different magnetic configurations: ToreSupra(limiter), WEST(divertor) and W7X(island divertor). This work is qualified as exploratory because there were no methods to access these QC mode properties and dynamicsThe statistical studies carried out with the ToreSupra and WEST database provided a probability map of the occurrence of the QC modes in the ohmic confinement regime, confirming their link with the TEM,but also 2 more classes, one at low current and another at high current were found. The broadband component was also analysed as it is believed to be related to the microturbulence. Since the spectral amplitude of the BB component is found with the AGG, mainly μ and β, which correspond to the assymetry and shape of the spectrum, show a variation during the transition. On the other hand, the analysis of the dynamics of the QC modes by means of an algorithm developed in this thesis showed a recurrent interaction between the QC modes and the modes in the LF component. Finally, in order to better discriminate the QC modes, the concept of transfer entropy is used to analyse the causality in this interaction. Some cases shows the interaction between the LF component corresponding to the sawtooth instability and the QC modes. All this analysis of dynamics and also causality is then applied to ToreSupra, WEST and W7X, where there is a similar dynamic for signals with bi-directional causality, i.e. not only from the LF component to the QC modes, but also from the QC modes to the BB component. In addition, the ECRH is also examined for the TS database, which shows a decrease in the probability of QC modes as the PECRH increases. Since these QC modes appear in different magnetic configurations, the ultimate objective is to discover if all these QC modes are produced by the same mechanism, since it is believed that there must be a universal mechanism underlying the physics in fusion plasmas, this is still under investigation.