Modélisation numérique avancée du transport dans le plasma tokamak et confrontation aux expériences

Advanced numerical modelling of transport in tokamak plasma and confrontation to experiments

• Auteur / Autrice : Ivan Kudashev
• Direction : Eric Serre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Fusion magnétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : M2P2 - Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Instabilités Hydrodynamiques et Turbulence

Mots clés

Mots clés libres

Tokamak

Fusion magnétique

Plasma

Simulations du transport

Modélisation numérique fluide

Diagnostic synthétique

Tokamak

Fusion

Plasma

Transport simulations

Numerical modelling

Synthetic diagnostic

Résumé

En raison de différences extrêmes de température, de densité et de pression entre le centre du plasma et sa périphérie, les forces thermodynamiques au sein du tokamak déclenchent de forts flux radiaux de chaleur et de particules dirigés vers l'extérieur. La compréhension des processus physiques, l'étude expérimentale et la modélisation de l'extraction de chaleur est l'un des grands défis de la recherche sur la fusion magnétique, et en particulier pour la mise en route prochaine d'ITER. Depuis de nombreuses années, le laboratoire développe des approches innovantes dans le domaine de la modélisation fluide des plasmas au travers de la famille de code SOLEDGE3X reconnue aujourd'hui au niveau international. La modélisation du transport perpendiculaire aux lignes de champ magnétique est un enjeu clé pour tendre vers des simulations prédictives. L'équipe a récemment proposé une approche originale en fusion basée sur un modèle à deux équations qui permet de réduire considérablement le nombre de paramètres libres du modèle et donc d'accroître ses capacités prédictives. Dans le cadre de ce projet de thèse, ce modèle est a été intégrée dans la dernière version de SOLEDGE3X basée sur une approche éléments finis d'ordre élevé dont le maillage discrétise avec précision les éléments de paroi face au plasma quelles que soient leurs géométries. Dans le même temps, le code arrivant à un niveau de maturité permettant la confrontation avec les mesures expérimentales nous développerons et intégrons des diagnostics synthétiques qui modélisent les diagnostics réels et simulent leurs signaux. Étant donné les paramètres de plasma issus des simulations, nous pouvons calculer sans ambiguïté les signaux des diagnostics et les comparer directement avec les mesures expérimentales. Ce projet de thèse se place par conséquent dans un effort de confrontation de la modélisation numérique, de l'interprétation des mesures expérimentales et de la validation des codes. Ce travail sera en collaboration avec l'Institut de recherche pour la Fusion par confinement magnétique du CEA Cadarache avec qui l'équipe développe depuis de nombreuses années tous les outils de simulation pour le plasma de bord et qui opère le tokamak WEST dont la mission est d'étudier la physique de l'interaction plasma paroi pour la préparation d'ITER.

To predict heat deposition on plasma-facing components of current tokamaks and future reactors, a major effort is being made to develop codes capable of modeling turbulent transport in the edge plasma. The understanding of the physical processes, the experimental study and the modeling of the heat extraction is one of the great challenges of the research on the magnetic fusion, and in particular for the imminent start of ITER. For many years, the laboratory has been developing innovative approaches in the field of fluid models through the SOLEDGE3X code family recognized today at the international level. The modeling of transport perpendicular to the magnetic field lines is a key issue for moving towards predictive simulations. The team recently proposed an original fusion approach based on a two-equation model which considerably reduces the number of free parameters of the model, and therefore increases its predictive capacity. As part of this PhD thesis,this model is integrated in the latest version of SOLEDGE3X, based on a high-order finite element approach, whose mesh discretizes with precision the plasma facing components of any complexity. At the same time, the code arriving at a level of maturity allowing confrontation with experimental measures, we will develop and integrate synthetic diagnostics which model the real diagnostic and simulate its signal. Given the plasma parameters from the simulations, we can unambiguously calculate the diagnostic signals and compare them directly with the experimental measurements from WEST operated by CEA at Cadarache. This thesis project is therefore placed in an effort to compare numerical modeling, to assist in the interpretation of experimental measurements and to validate codes. This work will be in collaboration with the Research Institute for Magnetic Confinement Fusion of CEA Cadarache with which the team has been developing for many years SOLEDGE3X, and which operates the WEST tokamak whose mission is to study the physics of the plasma wall interactions for the preparation of ITER.