Modélisation de scénarios avec le simulateur d'ITER pour le design de décharges plasma

Modelisation of scenarios with ITER Simulator for design of plasma discharges

• Auteur / Autrice : Matéo Bellouard
• Direction : Eric Serre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Fusion magnétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2024
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Fusion Nucléaire

Transport

Modélisation Intégrée

Tokamak

Plasma

Scenario

Nuclear Fusion

Plasma transport

Integrated modellin

Tokamak

Plasma

Scenario

Résumé

Ce projet de thèse s'inclut dans le développement à ITER du Pulse Design Simulator (PDS), un simulateur de plasmas qui utilise l'ITER Integrated Modelling and Analysis Suite (IMAS). Le but du PDS est de générer des scénarios optimaux de décharge plasma, pour tous les scénarios de l'ITER Research Plan (IRP); le PDS est un outil qui permettra à son utilisateur de configurer une décharge afin d'obtenir les performances désirées, tout en restant dans les limites physiques et opérationnelles du réacteur et des ses composants. Comme tous les simulateurs de plasma, le PDS dépend de la résolution utilisée pour résoudre les équations de transport de chaleur et de densité de particules pour décrire l'évolution temporelle de la décharge et sa performance. Cependant ce simulateur a pour objectif spécifique d'être rapide (avec pour cible de pouvoir simuler un décharge complète de plasma pour ITER en une trentaines de minutes de calcul). Pour atteindre cet objectif, le choix des modèles physiques utilisés pour ce scénario doit être minutieux. Plusieurs modèles permettant de résoudre les Equations Différentielles à dérivées partielles (PDE) du transport sont disponibles dans la communauté scientifique de la fusion, parmi les partenaires d'ITER et parmi un panel de codes open-source. L'objectif de cette thèse est le développement du solveur des PDE de transport du PDS et son couplage avec différents modèles de transport, simulant les transport néoclassiques et turbulents, et permettant d'intégrer les différentes sources de chaleurs et de particules. Afin de pouvoir décrire avec suffisamment de précision les plasmas en mode H, ce modèle de transport du cœur du plasma sera complété par des modèles physiques basés sur des lois d'échelles ou sur des modèles de substitution pour décrire le bord du plasma et son piédestal. Une partie de cette thèse sera dédiée à l'intégration des différents modèles dans IMAS, notamment grâce au Persistent Actor Framework Muslce3, afin d'assurer la modularité et la flexibilité du simulateur. Les modèles peuvent être de différents types, comme des solveurs de PDE, des codes fournissant les coefficients de transport, les modules de calcul des sources de chaleur et de courant induit, de sources de particules, et les différents phénomènes responsables de pertes de chaleur et de particules. Tous les modèles nécessaires pour implémenter toutes ces fonctionnalités au sein du PDS sont disponible au sein de la communauté scientifique, mais certains nécessiteront des modifications et des adaptations pour fonctionner dans IMAS, qui seront effectuées durant cette thèse. A chaque ajout d'une nouvelle fonctionnalité, un processus de validation permettra de vérifier que les résultats du PDS sont cohérents avec ceux obtenus par d'autres simulateurs de plasma, et dans la mesure du possible avec des données expérimentales de tokamak existants. La comparaison avec des tokamaks tels que WEST, ASDEX-Upgrade ou KSTAR sera effectuée. Les différences inéluctables entre l'expérience et la simulation devront être comprises afin d'évaluer les limites de prédictibilité du PDS pour les différents choix de modèles et les différentes conditions opérationnelles envisagées pour ITER. Cette tâche devrait permettre d'apporter de nouvelles informations puisqu'il est assez rare dans la communauté scientifique de réaliser des benchmark comparants des données expérimentales et des données provenant de simulateurs intégrés. L'application majeure du PDS, lorsqu'il sera prête et suffisamment validé, sera de concevoir les différents scénarios de l'IRP. Cette thèse permettra donc de peupler la base de données d'ITER de scénarios pour les phases principales de l'IRP, en se concentrant sur la compréhension physique du domaine d'opération du réacteur d'ITER obtenu, en estimant les approximations effectuées par les différents modèles, tels que les lois d'échelles ou les modèle à ordre réduit utilisés dans le solveur de transport. Un autre point clé de recherche sera la compréhension des dynamiques de transition entre les modes de confinement L et H, dans le sens L-H comme dans le sens H-L, qui sont des phénomènes durant lesquels le système doit rapidement réagir et changer ses conditions d'opération (par exemple en changeant la polarisation du système de chauffage par Electron Cyclotron).

This work falls within the activities of the ITER Pulse Design Simulator (PDS), being developed using the ITER Integrated Modelling and Analysis Suite (IMAS). The goal of the PDS is to generate an optimal pulse schedule for all the scenarios of the IRP; the PDS is a tool to help the scenario designers to configure a pulse to achieve the desired performance while operating within the physics and operational limits of the machine and its plant systems. Like any plasma simulator, the PDS relies on the resolution of heat and density transport equations to describe the evolution and performance of a pulse. Yet the particularity of the PDS is that for it to be a practical tool, it must be fast (the eventual target is a full end-to-end pulse scenario simulation on wall clock times of approximately 30 minutes). Special care must therefore be taken to select fast, but still reasonably accurate physics models. Several models to solve the transport Partial Differential Equations (PDE) are available within the fusion community, from ITER partners and from the open-source pool of codes. The purpose of this PhD is to focus on the PDE solver of the PDS and its coupling to various transport models to simulate the neoclassical and turbulent transport, together with the associated sources and sinks of heat and particles. To enable sufficiently accurate description of H-mode plasmas, this core transport modelling will be supplemented by the use of surrogate models or scaling laws to describe the edge plasma pedestal. Part of the PhD effort will be an integration work, i.e. to include various models using the Muscle3 Persistent Actor Framework, in IMAS, to ensure modularity and flexibility of the workflow. The models can be various types of the PDE solver, different models to provide transport coefficients, the various sources of heating and current drive, the different methods of fuelling, and the various processes leading to heat and particle losses. All the models needed to add all these ingredients to the PDS are available within the fusion community, but some will potentially require modification and adaptation to IMAS during the course of the thesis. For each step of the inclusion of new processes, a validation must be undertaken to check that the PDS results are coherent with those from other plasma simulators, and as far as possible, with experimental data from tokamak devices within the ITER Members facilities. For some aspects of the PDS prediction, comparisons with e.g. the WEST, ASDEX-Upgrade and KSTAR tokamaks will be undertaken. The inevitable differences that will be found between experiment and simulation must be understood to assess the limits of the PDS prediction capabilities for the various choices of models and the various operational conditions foreseen for ITER. This particular activity is expected to bring a great deal of new insight and advance since it is still rare in the fusion community that benchmarking of integrated pulse simulators against experiments is attempted. The main application of the PDS, once mature enough and reasonably validated, is to design scenarios for the new IRP. The objective of the PhD will be to populate the ITER IMAS scenario database with PDS scenarios for the main phases of the IRP. The physics aspect will be focused on understanding the operability domain in ITER for the approximations made by using surrogate models and scaling laws in the transport solver. Another key aspect on which to focus will be the dynamics of the scenario during L-H and H-L confinement transitions, during which several systems will have to rapidly change operational conditions (e.g. the change of polarization of the Electron Cyclotron heating system).