Stabilité et transport turbulent dans les plasmas de piédestal du tokamak JET dans différents régimes avec ELMs

Stability and turbulent transport of JET pedestal plasmas in different ELMy regimes

• Auteur / Autrice : Mattia Dicorato
• Direction : Xavier Garbet, Magali Muraglia
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache - fusion (IRFM pour ED 352)
• Jury : Président / Présidente : Laure Vermare
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Garbet, Magali Muraglia, Yann Camenen, Costanza F. Maggi, Moritz J. Pueschel, Stephan Brunner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Costanza F. Maggi, Moritz J. Pueschel

Mots clés

Mots clés libres

Plasma

Tokamak

Mode H

Small-ELMs

Piédestal

Transport turbulent

Plasma

Tokamak

H-mode

Small-ELMs

Pedestal

Turbulent transport

Résumé

Un défi majeur pour les futurs réacteurs à fusion est le développement de régimes plasma assurant un confinement compatible avec les exigences de performance, tout en maintenant des dynamiques de bord qui respectent les charges thermiques et particulaires tolérées par les composants exposés au plasma. Un facteur clé influençant le confinement et les dynamiques de bord est le transport radial des particules et de la chaleur, généré par la microturbulence du plasma, liée à des micro-instabilités telles que les modes dues au gradient de température ionique et électronique (ITG et ETG), ainsi que les modes d’électrons piégés (TEM). En mode de confinement élevé (H-mode), le bord du plasma est caractérisé par une turbulence réduite, formant un piédestal de pression. Ce piédestal définit la frontière des profils du plasma central et influence la stabilité des modes localisés au bord (ELMs), impactant les flux vers les parois. Le modèle EPED est utilisé pour prédire la hauteur et la largeur du piédestal, basé sur les limites des modes magnétohydrodynamiques ''peeling-ballooning'' et des modes cinétiques-ballooning (KBM). Cependant, le rôle des mécanismes de transport turbulent dans la formation du piédestal reste mal compris. Cette thèse s'appuie sur la découverte de nouveaux régimes H-mode avec de petits ELMs dans le tokamak JET, appelés « baseline small-ELM » (BSE). Les structures du piédestal dans les régimes BSE, contrairement aux régimes à ELMs de type I, ne sont pas expliquées par le modèle EPED. Ce travail vise à approfondir la compréhension du transport turbulent dans les régimes BSE par une analyse comparative avec un H-mode à ELMs de type I, en utilisant des simulations gyrocinétiques avec le code GENE. Les analyses de stabilité au sommet du piédestal montrent qu'aux échelles ioniques, le régime à ELMs de type I est dominé par des modes hybrides ITG-KBM, tandis que le régime BSE est dominé par des modes hybrides ITG-TEM, liés à une plus faible densité du plasma. Les effets électromagnétiques influencent peu les spectres de microinstabilités dans les deux régimes. Ces différences suggèrent des rôles distincts du transport turbulent. Aux échelles électroniques, plusieurs branches ETG sont déstabilisées dans les deux régimes, avec une sensibilité des ETG toroïdaux à la stabilisation par impuretés dans les régimes BSE. Pour explorer les mécanismes de saturation de la turbulence, des simulations non linéaires de turbulence ITG-TEM dans le régime BSE se concentrent sur le rôle des effets électromagnétiques et du cisaillement d’équilibre ExB. La turbulence ionique présente une forte stabilisation électromagnétique, avec une déstabilisation des modes à grande-échelle. L’activité des flux zonaux dans les simulations électromagnétiques augmente par rapport aux simulations électrostatiques, suggérant son rôle dans la stabilisation électromagnétique. Malgré d’importants mécanismes non linéaires, un bon accord est trouvé entre les phases croisées linéaires et non linéaires pour les modes contribuant le plus au transport. Cela justifie des tests de modèles quasi-linéaires pour reproduire les spectres de flux de chaleur non linéaire, donnant des comparaisons satisfaisantes. Enfin, le transport thermique électronique induit par la turbulence ETG est démontré comme insensible aux effets électromagnétiques et au cisaillement ExB. Le transport thermique électronique rigide en fonction du gradient de température semble limiter la hauteur du piédestal de température électronique dans les régimes BSE. Ces résultats améliorent la compréhension des mécanismes de transport au sommet du piédestal dans les régimes BSE, en soulignant la compétition entre les effets stabilisants électromagnétiques et le cisaillement d’équilibre ExB dans la turbulence ITG-TEM, ainsi que le rôle du transport à échelle électronique induit par la turbulence ETG.

One key challenge for future fusion reactors is the development of tokamak plasma regimes that ensure confinement compatible with fusion performance requirements, while maintaining edge dynamics that satisfy plasma-facing component tolerated heat and particle loads. A critical factor influencing both confinement and edge dynamics is the radial transport of particles and heat driven by plasma microturbulence, which arises from micro-instabilities such as ion and electron temperature gradient (ITG and ETG) modes, and trapped-electron modes (TEM). In high confinement mode (H-mode), the plasma edge is characterized by reduced turbulence, leading to the formation of a pressure pedestal. The pedestal plays a dual role, defining the boundary for core plasma profiles and determining the stability of edge-localized modes (ELMs), which affect plasma-facing component fluxes. The EPED model is commonly used to predict pedestal height and width based on constraints from peeling-ballooning magnetohydrodynamic modes and kinetic-ballooning mode (KBM) limits. However, the role of turbulent transport mechanisms in shaping the pedestal remains poorly understood. This thesis is motivated by the discovery of new H-mode regimes with small-ELMs at the JET tokamak, referred to as baseline small-ELMs (BSE). The distinct pedestal structures in BSE regimes, compared to type-I ELM regimes, are not explained by the EPED model. This work aims to enhance understanding of turbulent transport in BSE regimes through a comparative analysis with a type-I ELMy H-mode discharge, using gyrokinetic modeling with the gene{} code. Stability analyses at the pedestal top positions in the two regimes reveal that, at ion scales, the type-I ELM regime is dominated by hybrid ITG-KBM and KBM modes, while the BSE regime is dominated by hybrid ITG-TEM modes, linked to lower plasma β due to reduced density. Electromagnetic effects weakly influence the microinstability spectra in both regimes. These differences in ion-scale stability suggest distinct roles for turbulent transport in each regime. At electron scales, multiple ETG branches are destabilized in both regimes, with toroidal-ETG in BSE regimes sensitive to impurity stabilization. To investigate the mechanisms responsible for turbulence saturation, non-linear simulations of hybrid ITG-TEM turbulence in the BSE regime focus on key mechanisms in edge turbulent transport: the interplay of electromagnetic effects with equilibrium ExB shearing. Ion-scale turbulence shows strong electromagnetic stabilization, with enhanced mesoscale modes. A comparison of zonal flow activity in electrostatic and electromagnetic simulations reveals a significant enhancement in the latter, suggesting its role in electromagnetic stabilization. Analyses of heat turbulence spectra indicate that transport carried by mesoscale modes is negligible due to transport-unfavorable cross-phases. Despite the evidence of strong nonlinear mechanisms, good agreement is found between nonlinear and linear cross-phases for modes with the highest transport contribution, motivating tests of quasi-linear models to reproduce nonlinear heat flux spectra. Promising agreement is obtained, supporting the use of quasi-linear models for plasma edge conditions. Finally, electron heat transport driven by slab-ETG turbulence is shown to be insensitive to electromagnetic effects and ExB shearing. Stiff electron heat transport with respect to the temperature gradient is demonstrated, suggesting its role in limiting the electron temperature pedestal height in BSE regimes. These findings advance our understanding of key transport mechanisms at the pedestal top in the new BSE regimes, emphasizing the competition between stabilizing electromagnetic effects and equilibrium ExB shearing in hybrid ITG-TEM turbulence, as well as the role of electron-scale transport driven by ETG turbulence.