Propriétés et auto-organisation de la turbulence dans un plasma de tokamak

Properties and self-organization of turbulence in a tokamak plasma

• Auteur / Autrice : Antoine Jamann
• Direction : Frédéric Clairet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache - fusion (IRFM pour ED 352)

Mots clés

Mots clés libres

Tokamak

Turbulence

Diagnostic synthétique

Tokamak

Turbulence

Synthetic diagnostic

Résumé

Un défi majeur auquel sont confrontés les scientifiques est d'expliquer la dynamique des structures turbulentes, leur influence sur le confinement du plasma et la formation d'une barrière de transport. On sait que les gradients de profil (densité, température, rotation, etc.) entraînent des instabilités responsables de l'activité de turbulence. La turbulence entraîne les flux. Le champ électrique s'adapte à la fois aux schémas d'écoulement et à l'activité turbulente et, par son cisaillement, réagit et régule la turbulence qui l'a généré. Les données expérimentales reposent principalement sur la réflectométrie hyperfréquence qui a fourni les mesures de la densité et de la fluctuation de densité en continu du bord au cœur du plasma avec une grande résolution radiale et temporelle. Le projet se concentre sur l'analyse des données expérimentales existantes sur les tokamaks WEST et ASDEX Upgrade pour une comparaison avec les cartes de turbulence issues de simulations gyrocinétiques (GYSELA) ou fluides (TOKAM) couplées à un code 2D de propagation d'ondes électromagnétiques dans le but de développer un diagnostic synthétique. Ces simulations contribueront à une meilleure interprétation des données de réflectométrie et ainsi qu'un outil de validation des codes de turbulence. Il devrait impliquer une forte interaction entre les équipes sur l'application de la modélisation de code et la comparaison aux données expérimentales.

The research topic addresses the identification of turbulent flows in toroidal fusion plasmas and their influence on turbulent energy and particle transport. This will be mainly a modeling work that is essential for the interpretation of our measurements as well as the validation of the turbulence codes. We will focus on the kinetic vs. fluids leading to requirements for these codes. We will also address the effects of diffusion and dissipation, the role of zonal flows and the establishment of the radial electric field responsible for the transport barriers at the plasma edge. Turbulence depends on a combination of dynamic quantities, amongst which the local values of the density and temperature profiles, the plasma rotation or the radial electric field. A major complexity comes from the fact that all latter quantities interplay: profile gradients drive instabilities that are responsible for the turbulence activity. The turbulence drives flows. The electric field both adapts to the flow patterns, to the turbulent activity, and through its shear back-reacts and regulates the turbulence that has generated it. Transient or lasting structures appear in the course of this dynamics. The more prominent ones are usually labelled: “zonal flows”, “mean flows”, “avalanches”, or “staircases”. Our ultra-fast microwave frequency swept reflectometer with the sweep time of 1 µs, inferior to the characteristic turbulent time scale, has provided unique measurements of the fast density and density fluctuation evolution with a very high radial resolution continuously from the edge to the plasma core. We have conducted studies in stationary plasma phases and after heating pulses to investigate the transport phenomena and important physics mechanisms during improved plasma confinement transition (L-H transition). Dynamic interplay between local gradients, radial shear of the electric field, flow velocity and turbulence are suspected during the intermediate phase of this transition, called I-phase. Additional observations of local singularities and frequency shifts in the turbulent spectra suggest the influence of flows and needs to be investigated. The project focuses then on the analysis of existing ASDEX Upgrade and WEST experimental data on turbulence and also the coupling of an existing 2D full wave propagating code with turbulence maps resulting from gyrokinetic (GYSELA) or fluid (TOKAM) simulations in order to build a synthetic diagnostic. These simulations would support the interpretation of the reflectometry data and a tool of validation of the codes. It should involve a strong interaction between teams on the application of code modelling and comparison to experimental data.