Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Modes d'Alfvén,Microturbulence,Tokamak,Particules énergètiques,

Keywords

Alfvén eigenmodes,Microturbulence,Energetic Particles,Tokamak,

Titre de thèse

Impact des ions rapides sur la microturbulence dans les plasmas de fusion
Impact of fast ions on microturbulence in fusion plasmas

Date

Tuesday 23 November 2021

Adresse

52 Avenue Escadrille Normandie Niemen, 13013 Marseille TBD

Jury

Directeur de these M. Sadruddin BENKADDA Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), AMU
Rapporteur Mme Paola MANTICA National Research Council
Rapporteur M. Olivier SAUTER Swiss Plasma Center, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Examinateur M. Alberto LOARTE ITER Organization
Examinateur Mme Pascale HENNEQUIN Centre National de la Recherche Scientifique(CNRS), Ecole Polytechnique
Examinateur M. Carlos HIDALGO Centro de Investigaciones Energeticas MedioAmbientales y Tecnologicas (CIEMAT)
Examinateur M. David ZARZOSO Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), AMU
Examinateur M. Jeronimo GARCIA Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Résumé de la thèse

L'exploitation des plasmas de fusion magnétiquement confinés en tant que source d'énergie propre est limitée par le transport turbulent. Ce transport est principalement induit par des micro-instabilités, dues à des gradients élevés. Parmi celles-ci, le gradient de température ionique (ITG) est à l’origine d’une forte instabilité dans le cœur des tokamaks. En outre, les futurs réacteurs, comme ITER, seront principalement chauffés par les particules alpha produites par les réactions de fusion nucléaire entre le deutérium (D) et le tritium (T). Les particules alpha, dont l'énergie est supérieure à celle de la partie thermique du plasma (3,5 MeV vs.~10 keV), doivent être bien confinées afin de transférer leur énergie aux ions thermique. Cependant, on a aujourd'hui trés peu de connaissances sur l'interaction entre les particules alpha et la microturbulence, car très peu d'expériences en DT ont été réalisées. Récemment, on a découvert que les ions rapides générés de l'extérieur, à des énergies plus élevées que les ions thermique, constituent un moyen potentiel de contrôler la turbulence dans les plasmas de fusion. Ceux-ci peuvent déclencher un mécanisme complexe conduisant à un confinement amélioré des ions thermique. Cependant, certaines questions cruciales restent ouvertes. L'objectif de cette thèse est d'étendre les frontières des connaissances actuelles sur l'interaction entre les ions rapides et le transport micro-turbulent. L'étude d'un scénario de tokamak qui peut imiter les conditions expérimentales attendues dans les futurs réacteurs a été réalisé en analysant au moyen de simulations numériques, l'impact des ions rapides dans la gamme d'énergie MeV sur le transport turbulent provoqué par l'ITG. Un scénario récemment développé au tokamak JET, où des ions rapides à très haute énergie a été générée par la combinaison efficace des systèmes de chauffage externes, fournit un banc d'essai approprié. Une telle population peut ainsi reproduire efficacement les conditions d'un noyau de plasma de fusion, dans lequel la dynamique des particules alpha domine. Dans les expériences du JET, des modes d'Alfvén (AE) sont déstabilisés par l'interaction onde-ions rapide. Il est ainsi démontré qu'une suppression du transport turbulent à l'échelle des ions thermiques est obtenue dans des conditions de forte activité Alfvénique. En particulier, il est démontré que les AEs jouent un rôle essentiel dans le mécanisme multi-échelle qui conduit à la suppression du transport. Des analyses multi-modes montrent l'interaction spatio-temporelle entre les AEs et les composantes zonales du potentiel électrostatique. Les effets des flux zonaux sur le transport induit par l'ITG sont ensuite analysés en detail. Les plasmas dans les tokamaks peuvent être dominés par des régimes de turbulence différents de l'ITG. Dans de tels scénarios, l'efficacité de la stabilisation de la turbulence induite par les ions rapides n'est pas garantie. Donc, l'accent est mis sur la turbulence dominée par le mode électrons piégés (TEM). Les TEMs sont une instabilité qui est fréquent dans les tokamaks actuels, et sont attendus aussi dans les futurs réacteurs. Ainsi, des études numériques des plasmas dominés par les TEMs en présence des ions rapides sont réalisées. Il est démontré que les ions rapides ont un effet négligeable sur le transport induit par les TEMs, dans un plasma du tokamak JT-60U. Le faible rôle des flux zonaux sur le flux du TEMs est supposé être l'ingrédient manquant pour l'effet bénéfique des ions rapides. Au contraire, une réduction significative du transport est obtenue en présence d'AEs déstabilisés par des ions fortement énergétiques, de manière similaire aux plasmas sur JET. Ce dernier système dominé par les TEMs est inspiré d'un scenario du tokamak TCV. Des analyses approfondies mettent en évidence la possibilité de reconnaître des caractéristiques distinctifs de la réduction du transport par les ions rapides, quel que soit le régime turbulent dominant.

Thesis resume

The exploitation of magnetically confined fusion plasmas as a sustainable and clean energy source is limited by the radially outward turbulent transport. Such transport is mainly induced by microinstabilities, arising due to the steep gradients. Among those, the ion temperature gradient (ITG) instability is one of the most relevant. Moreover, next-generation fusion devices, such as ITER, will be mainly heated by the alpha particles born from the nuclear fusion reactions between Deuterium (D) and Tritium (T). Alpha particles, with larger energy than the thermal part of the plasma (3.5 MeV vs. ~10 keV), must be well confined in order to transfer their energy to the bulk ions. However, very little knowledge is available regarding the interaction between alpha particles and microturbulence, since very few DT experiments were performed in the past. Thus, unexpected turbulence and transport regimes may lead to further detrimental effects on the performance of future alpha-heated devices. Recently, externally generated fast ions, at higher energies with respect to the bulk ions, have been revealed to constitute a potential way to control turbulence in fusion plasmas. Fast ions can indeed trigger a complex multi-scale mechanism leading to an increased bulk-ion confinement. Yet, some crucial questions remain open, and thereby the main objective of this thesis is to extend the frontiers of the current knowledge on the interaction between fast ions and microturbulent transport. The study of a tokamak scenario which can mimic the experimental conditions expected in future devices is hence crucial. This has been carried out by numerically investigating the impact of fast ions in the MeV energy range on the ITG-driven turbulent transport. A recently developed scenario at the Joint European Torus (JET) provides a suitable test-bed case to analyze this topic. A substantial population of fast ions at very high energy was generated through the efficient combination of external heating systems. Such fast ions can thus effectively reproduce the conditions of a burning plasma core, in which alpha particle dynamics dominate. Alfvén Eigenmodes (AEs) are destabilized by the highly energetic ions through a wave-particle interaction in the experiments at JET. With complex simulations, it is shown that a suppression of the ion-scale turbulent transport is achieved in conditions of strong Alfvén activity. AEs are shown to play an essential role in the multi-scale mechanism for the transport suppression. Multi-mode analyses demonstrate the spatio-temporal interaction between the fast-ion-driven AEs and the zonal components of the electrostatic potential. The nonlinear effects of the zonal flows on the ITG-driven transport are then analyzed. Plasmas in fusion devices can be dominated by turbulence regimes different from ITG. In such scenarios, the effectiveness of the turbulence stabilization by fast ions is not guaranteed. Thus, the emphasis is put on the trapped electron mode (TEM) dominated turbulence. TEMs are a major instability in fusion plasmas, found to characterize the turbulent dynamics in various present tokamaks, and expected also in future devices. Numerical investigations of TEM-dominated plasmas in the presence of fast ions are carried out. It is shown that the TEM-induced transport, in a plasma of the Japanese tokamak JT-60U, is mildly affected by the fast ions. The weak role of zonal flows on the TEM turbulence is conjectured to be the missing ingredient to recover the beneficial effect. Instead, a significant reduction of the ion-scale transport is obtained in the presence of AEs destabilized by highly energetic ions, similarly to the ITG-dominated plasmas. This latter TEM-dominated system, suitably tailored for the purpose, is inspired from a particular pulse of the TCV tokamak. Deep analyses further highlight the possibility to recognize hallmarks of the ion-scale transport reduction, regardless the dominant turbulent regime.