Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
transport turbulent,micro-déchirement,physique du piédestal,physique des plasmas,tokamak,transport de chaleur éléectronique
Keywords
turbulent transport,microtearing,pedestal physics,plasma physics,tokamak,electron heat transport
Titre de thèse
Transport de chaleur éléctronique dans le piédestal des plasmas de tokamak
Electronic heat transport in pedestal of tokamak plasmas
Date
Thursday 28 November 2019
Adresse
52 Avenue Escadrille Normandie Niemen, 13013 Marseille amphi situé à l'ESPE
Jury
Directeur de these |
M. Xavier GARBET |
Cea Cadarache |
Rapporteur |
M. Franck JENKO |
IPP garching |
Rapporteur |
Mme daniela GRASSO |
Politecnico di Torino |
Examinateur |
M. Jonathan CITRIN |
Differ |
Examinateur |
M. jean-marcel RAX |
Université de Paris XI et à l'Ecole Polytechnique |
CoDirecteur de these |
Mme Magali MURAGLIA |
Aix-Marseille UNiversité |
CoDirecteur de these |
M. Yann CAMENEN |
Aix-Marseille UNiversité -CNRS |
Résumé de la thèse
Dans les plasmas en mode H, la modélisation de la dynamique du piédestal est une question importante pour prédire les profils de température et de densité dans le bord et le cur des tokamaks. Le modèle EPED , basé sur la stabilité des grandes et petites échelles des modes Magnetohydrodynamic (MHD), est le plus souvent utilisé pour caractériser la région du piédestal. Le modèle EPED a connu beaucoup de succès jusquà maintenant. Cependant, certaines analyses récentes des plasmas JET suggèrent quune autre classe dinstabilités, appelée modes de micro-déchirement, peut être responsable du transport de chaleur des électrons dans le piédestal, et jouer ainsi un certain rôle dans la détermination des caractéristiques du piédestal. Les modes de microdéchirement appartiennent à une classe dinstabilités où une modification de la topologie de la ligne de champ magnétique est induite à léchelle du rayon ionique de Larmor. Cela conduit à la formation dîlots magnétiques, qui peuvent améliorer le transport de chaleur électronique. La stabilité des MTMs a été théoriquement étudiée dans le passé, montrant quune couche de courant est stable en labsence de collisions. En revanche, des simulations gyrocinétiques récentes en géométrie toroïdale ont révélé que les MTM étaient instables, même à faible collisionalité. Le but de notre travail est dinclure progressivement les mécanismes physiques manquants (dérive magnétique, potentiel électrique, piégeage,...) dans la description analytique pour récupérer les résultats de simulation numérique et pour améliorer la compréhension des MTMs. Numériquement, la modélisation des MTM est un défi. La largeur de la couche de courant et la sensibilité de la reconnexion magnétique à la dissipation impliquent une résolution numérique très élevée et une dissipation numérique très faible, essentiellement à faible collisionalité. Lamélioration du modèle analytique est cruciale, dabord pour mieux comprendre le rôle joué par les différents paramètres physiques, mais aussi parce quil est s'affranchit de ces problèmes. Dans un premier temps, la théorie linéaire dun mode de microdéchirement utilisant une approche cinétique a été établie et comparée à des simulations gyrocinétiques linéaires. La stabilité linéaire des MTMs sans collisions prédits par la théorie est compatible avec les simulations numériques utilisant le code gyrocinétique GKW . A partir de ce modèle simple, la dérive magnétique et le potentiel électrique sont progressivement inclus dans le calcul analytique. Les simulations gyrokinetiques précédentes ont montré que les MTMs ont une structure de mode localisée et en conséquence la représentation de ballonnement a été utilisé pour évaluer le courant à lintérieur de la couche résistive. L' expression du courant à lintérieur de la couche résistive est plutôt complexe. Sans le potentiel électrique, la dérive magnétique sest avérée déstabilisante, mais seulement en conjonction avec une collisionalité finie. Puis, avec le potentiel électrique et la dérive magnétique, lévaluation du courant à lintérieur de la couche résistive est obtenue à partir dun système de deux équations reliant le potentiel vecteur (en conséquence le courant) et le potentiel électrique. Ce système déquations a été résolu numériquement à laide dun code aux valeurs propres. On a constaté une bonne concordance entre le calcul analytique et les simulations GKW. Il semble que la vitesse de dérive magnétique et les fluctuations du champ électrique déstabilisent lorsquelles sont combinées à des collisions. Cependant, cet effet de déstabilisation disparaît avec une faible collisionalité et aucun MTM instable nest trouvé jusquà présent dans les plasmas sans collision. La dérive magnétique et le potentiel électrique ne peuvent pas expliquer la déstabilisation des MTMs à faible collisionalité observée dans les récentes simulations gyrokinetiques.
Thesis resume
In H-mode plasmas, the modelling of the pedestal dynamics is an important issue to predict temperature and density profiles in the tokamak edge and therefore in the core. The model EPED , based on the stability of large and small scales MagnetoHydroDynamic (MHD) modes, is most commonly used to characterize the pedestal region. The EPED model has been quite successful until now. However some recent analysis of JET plasmas suggest that another class of instabilities, called microtearing modes, may be responsible for electron heat transport in the pedestal, and thereby play some role in determining the pedestal characteristics. Microtearing modes belong to a class of instabilities where a modification of the magnetic field line topology is induced at the ion Larmor radius scale. This leads to the formation of magnetic islands, which can enhance the electron heat transport. The stability of MTMs has been theoretically studied in the past showing that a slab current sheet is stable in the absence of collisions. In contrast, recent gyrokinetic simulations in toroidal geometry found unstable MTMs, even at low collisionality. The purpose of our work is to progressively include missing physical mechanisms ( magnetic drift, electric potential, trapping, ...) in the analytical description to recover the numerical simulations results and to improve the understanding of MTM. Numerically, the modelling of MTMs is challenging. The width of the current layer and the sentivity of magnetic reconnection to dissipation imply having a very high numerical resolution and a very weak numerical dissipation, essentially at low collisionality. The improvement of the analytical model is crucial, firstly to better understand the role played by the differents physical parameters, but also because it is free from these problems. As a first step, linear theory of a slab microtearing mode using a kinetic approach has been established and compared with linear gyrokinetic simulations. The linear stability of the collisionless MTMs predicted by the theory is found consistent with numerical simulations using the gyrokinetic code GKW. Starting with this simple model the magnetic drift and the electric potential are included progressively in the analytical calculation. Previous gyrokinetic simulations have shown that MTMs have a poloidally localised mode structure and as a consequence the ballooning representation has been used to evaluate the current inside the resistive layer. The full expression of the current inside the resistive layer being rather complex. Without the electric potential, the magnetic drift has been found to be destabilising, but only in conjunction with a finite collisionality[8]. Then, with both electric potential and magnetic drift, the evaluation of the current inside the resistive layer is obtained from a system of two equations linking the vector potential( as the consequence the current) and the electric potential. This system of equations have been solved numerically using an eigenvalue code. A good agreement between the analytical calculation and GKW simulations has been found. It appears that the magnetic drift velocity and electric field fluctuations are destabilizing when combined with collisions. However, this destabilization effect disappears at low collisionality and no unstable MTM is found so far in collisionless plasmas. The magnetic drift and electric potential can not explain the destabilization of MTMs at low collisional frequency observed in recent gyrokinetic simulations. The effect of trapped particle is now under investigation. It is found numerically that depending on the collisionality, trapped particles
can increase or decrease the MTM growth rate. Then, to predict the electron heat transport in tokamak a set of nonlinear gyrokinetic simulations has been done. It appears in the simulations that the transport is almost entirely electromagnetic which imply that a stochasticity of the magnetic field lines.