Simulation de la génération d'électrons découplé par le phénomène de Hot-Tail lors de disruptions avec ITER

Simulation of runaway electron generation by the Hot-Tail mechanism during ITER disruptions

• Auteur / Autrice : Louis Puel
• Direction : Eric Nardon
• 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

Electron découplé

Hot-Tail

Plasma

Fusion

Runaway electron

Hot-Tail

Plasma

Fusion

Résumé

Les disruptions (terminaisons brutales et non désirées du plasma) constituent un sujet majeur pour ITER et pour la filière tokamak en général, car elles peuvent causer des dégâts importants dans les grands tokamaks. L'IRFM, en collaboration étroite avec ITER Organization et de nombreux laboratoires de par le monde, contribue à l'étude de ce sujet à l'aide du code de magnétohydrodynamique (MHD) non-linéaire 3D JOREK. L'une des conséquences possibles des disruptions, et probablement la plus redoutable, est la génération d'un faisceau d'électrons relativistes, dit « découplés » (« runaway electrons » en anglais), susceptibles d'endommager fortement la paroi interne du réacteur. Plusieurs mécanismes peuvent conduire à la génération d'un tel faisceau, parmi lesquels celui dit de « hot tail » est potentiellement très puissant. Ce dernier résulte du refroidissement très rapide du plasma pendant la disruption, qui peut conduire à une distribution non-Maxwellienne caractérisée par une « queue » d'électrons énergétiques. Cependant, les prédictions sont difficiles car ce mécanisme est très sensible à plusieurs paramètres mal connus, en particulier la vitesse du refroidissement mais aussi les pertes d'électrons liées à la destruction des surfaces magnétiques due à l'activité MHD. JOREK est l'un des seuls codes qui pourraient permettre une meilleure compréhension et des prédictions plus précises du phénomène de hot tail dans les disruptions d'ITER. Le travail de thèse consistera à mettre en place, réaliser et analyser des simulations JOREK de disruptions déclenchées par injection de glaçons fragmentés dans ITER. Ce type d'injection constitue le moyen envisagé pour « mitiger » les disruptions, c'est-à-dire s'assurer que leurs effets restent tolérables. Les simulations seront post-traitées avec des électrons-tests pour analyser le phénomène de hot tail.

Disruptions (sudden and unwanted terminations of plasma) are a major concern for ITER and the tokamak field in general, as they can cause significant damage in large tokamaks. The IRFM, in close collaboration with ITER Organization and numerous laboratories around the world, contributes to the study of this issue using the 3D nonlinear magnetohydrodynamic (MHD) code JOREK. One of the possible consequences of disruptions, and probably the most formidable, is the generation of a beam of relativistic electrons, known as ''runaway electrons,'' which can severely damage the reactor's internal wall. Several mechanisms can lead to the generation of such a beam, among which the so-called ''hot tail'' mechanism is potentially very powerful. This mechanism results from the very rapid cooling of the plasma during the disruption, which can lead to a non-Maxwellian distribution characterized by a ''tail'' of energetic electrons. However, predictions are difficult because this mechanism is highly sensitive to several poorly known parameters, particularly the cooling rate and electron losses related to the destruction of magnetic surfaces due to MHD activity. JOREK is one of the few codes that could enable a better understanding and more accurate predictions of the hot tail phenomenon in ITER disruptions. The thesis work will involve setting up, conducting, and analyzing JOREK simulations of disruptions triggered by the injection of shattered pellets into ITER. This type of injection is the proposed method for ''mitigating'' disruptions, ensuring that their effects remain tolerable. The simulations will be post-processed with test electrons to analyze the hot tail phenomenon.