Soutenance de thèse de MUNSCHY Yann
Titre de thèse
Physique cinétique et gyrocinétique de l'interaction plasma-paroi dans les tokamaks
Kinetic and Gyrokinetic physics of plasma-wall interaction in tokamaks
Résumé de la thèse
L'interaction entre un plasma et la paroi qui l'entoure influence les niveaux de turbulence dans le bord. L'extension vers des simulations gyrocinétiques décrivant correctement cette région est en cours. Le point critique est de décrire correctement dans le cadre gyrocinétique l'interaction entre le plasma et le mur. Cette thèse est dédiée à l'amélioration de la description du bord dans le cadre gyrocinétique.
Avant de proposer un modèle d'interaction plasma-paroi valide dans le cadre gyrocinétique, cette interaction est étudiée avec le code à deux dimensions—1D en espace, 1D en vitesse—Voice. La description du mur se fait grâce à la technique dite de “pénalisation”. On montre que celle-ci permet de reproduire les aspects essentiels de la physique d'interaction plasma-paroi. Une région positivement chargée apparait à l'interface plasma-mur, qui assure la quasineutralité du plasma. La physique cinétique de cette gaine de Debye se traduit par des fonctions de distribution non-Maxwelliennes. En étudiant le système à l'aide des équations fluides, on montre que (i) le critère de
Bohm est inopérant dans le cadre cinétique, et (ii) la vitesse du son, nécéssaire pour exprimer ce critère dépend de la fermeture du modèle fluide. Cette dernière observation a des conséquences pour les codes fluides qui imposent le critère de Bohm au niveau des composants face au plasma. Afin de préparer l'extension du code gyrocinétique Gysela à la prise en compte de l'interaction entre particules chargées et neutres, on décrit un modèle fluide de neutres appelé modèle pressure-diffusion. On décrit le couplage entre ce modèle fluide de neutres et le modèle cinétique du plasma, et on illustre l'impact qualitatif de la dynamique des neutres sur les propriétés du plasma.
Sur la base de cette étude préliminaire, et en s'appuyant sur des modèles préexistants de gaine gyrocinétique, un modèle sous-maille d'interaction plasma-paroi est détaillé. Celui-ci est compatible avec le cadre global du code gyrocinétique Gysela, et assure la quasineutralité du plasma en ajustant les flux de gyrocentres électroniques et ioniques en moyenne spatiale sur la surface du limiteur. Le limiteur est immergé dans le domaine de simulation. Des simulations produites par le code Gysela montrent que l'absorption des ions et la réflexion des électrons lents sur la surface du limiteur fonctionnent comme attendu. Un écart entre les flux ioniques et électroniques sur la surface du limiteurest en revanche observé. Cet écart conduit à l'accumulation de charges négatives dans la région proche du limiteur, ce qui brise la quasineutralité du plasma sur des temps trop courts pour étudier la turbulence. Les origines de cet écart sont discutées.
Thesis resume
The interaction between a tokamak plasma and its material boundary affects edge plasma turbulence and thus influences the quality of confinement. Extending gyrokinetic simulations of transport and turbulence up to the very edge of the plasma is a necessary requirement to achieve reliable predictions (i) of the overall plasma confinement and (ii) of possible routes towards improved confinement regimes. However, it is still ongoing work. A critical point is to correctly describe within the gyrokinetic framework the physics of plasma-wall interaction. The present work aims at improving the edge description in the gyrokinetic framework by proposing a model for plasma-wall interaction that is compatible with the gyrokinetic theory.
Prior to proposing such a model, the interaction between charged particles and a solid wall is studied in the two-dimensional—1D in space, 1D in velocity space—framework of the Voice code. The description of the wall is based on immersed boundary conditions, also called penalization technique. Voice shows that penalization allows for the recovery of key aspects of plasma-wall interaction physics: a positively charged region—reminiscent of a Debye sheath—develops at the plasma boundary, which ensures quasineutrality within the plasma. The physics at play within the sheath results in distribution functions departing from Maxwellians. Studying the system using the hierarchy of fluid equations shows that (i) the Bohm criterion is inoperant in the kinetic framework, and (ii) the speed of sound used to express this criterion critically depends on the closure of the fluid hierarchy. This last point could bear consequences for fluid codes that use the Bohm criterion as a boundary conditions on plasma-facing units. So as to prepare for the future extension of the Gysela code to include plasma-neutral interaction, we describe a so-called pressure-diffusion fluid model for neutrals. We couple this neutral fluid model to the kinetic plasma description of Voice, and illustrate
the effect of the neutral dynamics on the plasma.
Based on this preliminary study and by reviewing already-existing gyrokinetic plasma-wall interaction models, we propose a sheath model that is compatible with the global framework of the gyrokinetic code Gysela. The model ensures quasineutrality in the plasma withouth solving the characteristic time and spatial scales of the sheath, by matching the electron and ion gyrocenter fluxes on spatial average over the entire surface of the plasma material boundary. The model uses penalization so that the material boundary is immersed within the simulation domain. Performing global simulations shows that the absorption of ions within the material boundary along with the reflection of slow electrons on the boundary surface works as expected. We however observe a mismatch between the electron and ion fluxes at the material boundary. It leads to the buildup of a negative charge in front of the boundary, effectively breaking quasineutrality on timescales too short to study turbulence. We describe possible ways for closing this mismatch and discuss its possible origin.