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

Tokamak,HL-2A,WEST,Transition L-H,Cisaillement de Vitesse,LHCD,

Keywords

Tokamak,HL-2A,WEST,L-H transition,Velocity shear,LHCD,

Titre de thèse

Comprendre la transition de confinement bas à haut dans les plasmas tokamak
Understanding the Low to High Confinement Transition in Tokamak Plasmas

Date

Thursday 12 January 2023 à 9:30

Adresse

CEA Cadarache 13108 Saint-Paul-Lez-Durance Salle des Maquettes, Bâtiment 506, pièce 105

Jury

Directeur de these Mme Annika EKEDAHL CEA, Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (IRFM)
Rapporteur Mme Laure VERMARE Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP)
Rapporteur M. Adi LIU Department of Plasma Physics and Fusion Engineering, University of Science and Technology of China (USTC)
Examinateur M. Min XU Southwestern Institute of Physics (SWIP)
Examinateur M. Etienne GRAVIER Institut Jean Lamour (JLL)
Président M. Peter BEYER Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires (PIIM)
Co-encadrant de these M. Xiao-Lan ZOU CEA, Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (IRFM)

Résumé de la thèse

La transition du mode L au mode H (appelée transition L-H) s'accompagne généralement de la formation d'une barrière de transport au bord (ETB), qui conduit à une augmentation significative de la pression du plasma dans la région périphérique, améliorant ainsi le confinement du plasma . Il est communément admis que le cisaillement de vitesse $E times B$ est responsable de la suppression de la turbulence de bord, conduisant à la formation de ETB. Cependant, la question demeure de savoir comment le cisaillement de vitesse de bord est généré et lequel des écoulements zonaux ou des écoulements moyens joue le rôle prédominant dans la transition L-H. Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à la compréhension du mécanisme physique de la transition L-H. Le mécanisme de génération du cisaillement de vitesse au bord du plasma a été étudié à l'aide d'une injection de puissance des ondes hybride inférieur ou lower hybrid current drive (LHCD) dans le tokamak HL-2A en Chine. Il a été démontré que l’augmentation du cisaillement de vitesse est principalement provenant du terme diamagnétique ionique du champ électrique radial $E_r$. L'interaction entre la turbulence et le cisaillement de vitesse dans la région du piédestal a également été étudiée pendant la transition L-H. Les résultats montrent que le cisaillement de vitesse joue un rôle clé dans la suppression de la turbulence. On observe que le terme diamagnétique ionique du champ électrique radial $E_r$ joue un rôle dominant dans l'augmentation du cisaillement de vitesse, tandis que les contributions des termes de vitesse poloïdal et toroïdal sont négligeables. Cela indique que les écoulements moyens jouent un rôle prédominant dans la transition L-H, plutôt que les écoulements zonaux. Le cisaillement de vitesse doit atteindre une valeur critique pour permettre à la transition L-H de se produire. Cela signifie que la valeur critique joue un rôle de seuil de cisaillement de vitesse pour la transition L-H. De plus, l'effet stimulé de l'injection de faisceaux moléculaires supersoniques ou supersonic molecular beam injection (SMBI) sur la transition L-H a également été étudié sur HL-2A. Il a été constaté que le mode acoustique géodésique (GAM) régule la turbulence par des interactions non linéaires, entraînant une diminution de l'intensité de la turbulence au bord du plasma. Avant la transition vers le mode H, l'augmentation continue du cisaillement de vitesse, qui est dominée par le terme diamagnétique ionique de $E_r$, prend le relais du rôle de suppression de la turbulence. Il a été montré que la transition L-H stimulée par SMBI est obtenue avec un seuil de puissance de transition considérablement réduit. Ces résultats suggèrent que SMBI pourrait être une méthode fiable pour réduire le seuil de puissance de transition L-H et contrôler la transition L-H dans les futurs réacteurs de fusion. Enfin, des efforts ont été faits sur l'optimisation du couplage LHCD sur le tokamak WEST en France et une analyse du couplage de l'onde LH dans les plasmas WEST a été réalisée. L'analyse montre que le remodelage toroïdal de l’antennemultijonction entièrement actif effectué avant son installation dans WEST a été une réussite, c'est-à-dire qu'un bon couplage des ondes LH est obtenu sur tous les modules toroïdaux simultanément si la densité juste devant l’antenne est suffisamment élevée. Les expériences ont également montré que la remise en forme de l’antenne passif-actif-multijonction est nécessaire pour éviter une surchauffe du front de l’antenne pendant les impulsions longues.

Thesis resume

The transition from L-mode to H-mode (called L-H transition) is usually accompanied by the formation of an edge transport barrier (ETB), which leads to a significant increase in the plasma pressure at the edge region, thus enhancing plasma confinement. It is commonly accepted that the $E times B$ velocity shear is responsible for the suppression of the edge turbulence, leading to the formation of the ETB. However, the question still remains as to how the edge velocity shear is generated and which of the zonal flow or the mean flow is playing the prominent role in the L-H transition. The works presented in this thesis are devoted to understand the physical mechanism of the L-H transition. The driving mechanism of the velocity shear in the plasma edge has been studied using lower hybrid current drive (LHCD) power injection on the HL-2A tokamak in China. It has been shown that the increase of the velocity shear is mainly driven by the ion diamagnetic term of the radial electric field $E_r$. The interaction between turbulence and velocity shear in the pedestal region has also been investigated during the L-H transition. The results show that velocity shear plays a key role in suppressing turbulence. It is observed that the ion diamagnetic term of the radial electric field $E_r$ plays a dominant role in the increase of velocity shear, while the contributions of the poloidal and toroidal velocity terms are negligible. This indicates that the mean flow play a prominent role in the L-H transition, rather than the zonal flow. The velocity shear must reach a critical value to allow the L-H transition to occur. This means that the critical value plays a role as a velocity shear threshold for the L-H transition. In addition, the stimulated effect of supersonic molecular beam injection (SMBI) on the L-H transition has also been investigated on HL-2A. It has been found that the geodesic acoustic mode (GAM) regulates turbulence through nonlinear interactions, leading to a decrease in the turbulence intensity in the plasma edge. Before the transition to H-mode, the continuous increase of velocity shear, which is dominated by the ion diamagnetic term of $E_r$, takes over the role of turbulence suppression. It has been shown that the L-H transition stimulated by SMBI is achieved with a significantly reduced transition power threshold. These results suggest that SMBI could be a reliable method for reducing the L-H transition power threshold and controlling the L-H transition in future fusion reactors. Finally, efforts have been made on the optimization of LHCD coupling on the WEST tokamak in France and an analysis of the LH wave coupling in WEST plasmas has been carried out. The analysis shows that the toroidal reshaping of the fully-active-multijunction launcher carried out before its installation in WEST was successful, i.e. good LH wave coupling is achieved on all toroidal modules simultaneously if the density in front of the launcher mouth is sufficiently high. The experiments have also shown that the reshaping of the passive-active-multijunction launcher is necessary in order to avoid overheating on the launcher front in long pulses.