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
Plasma,îlots magnétiques,turbulent,
Keywords
Plasma,Magnetic islands,turbulence,
Titre de thèse
Dynamique et transport des îlots magnétiques dans le plasma turbulent
Magnetic islands dynamics and transport in turbulent plasma
Date
Monday 25 September 2023 à 9:30
Adresse
Batiment T.D., Campus St. Jerome, 52 Av. Escadrille Normandie Niemen, 13013 Marseille, salle de thèse
Jury
Directeur de these |
M. Olivier AGULLO |
Aix Marseille Université |
Rapporteur |
M. Emanuele POLI |
University of Ulm |
Rapporteur |
M. Allan Sacha BRUN |
CEA-Saclay |
CoDirecteur de these |
M. Nicolas DUBUIT |
Université Aix-Marseille |
Examinateur |
M. Xavier GARBET |
CEA-Cadarache |
Examinateur |
M. Paolo RICCI |
École polytechnique fédérale de Lausanne |
Président |
Mme Daniela GRASSO |
ISC-CNR c/o Politecnico di Torino |
Examinateur |
M. Dario BORGOGNO |
ISC-CNR c/o Politecnico di Torino |
Résumé de la thèse
La recherche sur le confinement magnétique pour la fusion nucléaire sarticule autour
de lutilisation de champs magnétiques très puissants pour confiner les particules
chargées électriquement qui composent un plasma.
Les propriétés dudit champ magnétique sont fondamentales pour le bon fonction-
nement dun dispositif de confinement magnétique, puisquelles sont lun des princi-
paux éléments qui déterminent les propriétés de transport du plasma, cest-à-dire à
quelle vitesse et avec quelle dynamique les particules chaudes et denses contenues
dans le plasma séchappent de son coeur vers les parois de lappareil.
Un phénomène qui modifie la configuration du champ magnétique lui-même avec
un impact significatif sur la dynamique du système est la reconnexion magnétique et
la formation dîlots magnétiques qui en résulte. En général,
les îlots magnétiques favorisent le transport de la chaleur du centre du plasma vers la
paroi de lappareil, limitant les performances, et peuvent entraîner des disruptions,
avec perte du plasma et charges thermiques soudaines sur les composants de la ma-
chine face au plasma qui présentent un risque pour lintégrité de lappareil. Les îlots
magnétiques, selon leur dynamique, peuvent occuper des fractions importantes du
système en termes de taille, tandis que le processus de reconnexion se produit en des
points singuliers, où le champ magnétique disparaît.
Alors que certains mécanismes qui conduisent à la formation dîlots magnétiques peu-
vent être contrecarrés par une intervention externe, on observe régulièrement que des
îlots magnétiques se produisent dans des situations où ils ne sont pas attendus, ce qui
indique que leur physique et leur dynamique nont pas été entièrement résolues, et
plus de recherches sur le sujet est nécessaire. En particulier, on sait que la turbulence,
omniprésente dans les fluides, peut conduire à la formation dîlots magnétiques.
Ce travail vise à aborder la question de linteraction entre les îlots magnétiques et la
turbulence, qui peut prendre la forme de la génération susmentionnée dîlots mag-
nétiques par turbulence ou dinteraction et dinterférence mutuelle entre structures
aux extrémités opposées du spectre déchelle spatiale. Ce sujet
est loin dêtre épuisé, et dans ce travail un
modèle fluide électromagnétique qui contient la dynamique de 6 champs, ainsi que
dautres caractéristiques qui ne sont pas souvent prises en compte, est utilisé.
En ce qui concerne la génération dîlots magnétiques par la turbulence, cela se produit
assez fréquemment, avec des îlots qui grossissent facilement pour occuper des por-
tions importantes de les boîtes de simulation, et les remplissant parfois. Parallèlement
à la génération dîlots magnétiques, on observe également que le système développe
des champs zonaux, connus pour jouer un rôle dans la saturation de la turbulence.
De plus, ces îlots naffectent pas le profil de pression tant que leur largeur nest pas
supérieure à la taille critique habituellement désignée, posant des questions sur les
propriétés de transport des îlots magnétiques tels quils sont actuellement compris.
Dans lensemble, le travail met en évidence le fait que les propriétés de transport des
îlots magnétiques nont pas été explorées dans leur intégralité, et comment les îlots
magnétiques pourraient être beaucoup plus courantes quon ne le pensait auparavant,
mais leur impact nest pas aussi évident dans les expériences actuelles.
Thesis resume
Research in magnetic confinement for nuclear fusion centers around the use of very
strong magnetic fields to confine the electrically charged particles that make up a
plasma.
The properties of said magnetic field are fundamental for the successful operation of a
magnetic confinement device, since they are one of the main elements that determine
the transport properties of the plasma, i.e. how quickly and with what dynamics the
hot and dense particles contained in the plasma leak out of its core towards the walls
of the device.
One phenomenon that modifies the magnetic field configuration itself with significant
impact on the dynamics of the system is magnetic reconnection and the consequent
formation of magnetic islands it leads to.
In general, magnetic islands favour the transport of heat from the center of the plasma towards the wall of the device, limiting performance, and can lead to disruptions, with loss of the plasma
and sudden heat loads on the plasma facing components of the machine that pose
a risk to the integrity of the device. Magnetic islands, depending on their dynamics,
can occupy significant fractions of the system in terms of its size, while the process of
reconnection happens at singular points, where the magnetic field vanishes.
While some mechanisms that lead to the formation of magnetic islands can be coun-
teracted by external intervention, magnetic islands are routinely observed to occur
in situations where they arent expected, indicating that their physics and dynamics
hasnt been solved entirely, and more research on the topic is needed. In particular,
it is known that turbulence, which is ubiquitous in fluids, can lead to the formation
of magnetic islands, and the more experiments enter regimes relevant for energy
production from fusion, the more the formation of magnetic islands by turbulence
is expected to become prominent.
This works aims to address the question of interaction between magnetic islands and
turbulence, that can take the form of the aforementioned generation of magnetic
islands by turbulence or of interaction and mutual interference between structures at
opposing ends of the spatial-scale spectrum. While it is known in the literature that
turbulence can generate magnetic islands, and that the dynamics of existing magnetic
islands are modified by the presence of turbulence, this topic is far from exhausted,
and in this work an electromagnetic fluid model that
contains the dynamics of 6 fields, as well as some further features that are not often
accounted for, is used.
With respect to the generation of magnetic islands by turbulence, this is found to
occur quite commonly, with islands that easily grow to occupy significant portions the
simulation boxes, and sometimes filling them. Alongside the generation of magnetic
islands, the system is also observed to develop zonal fields, that are known to play
a role in the saturation of turbulence. Furthermore, these islands do not affect the
pressure profile until their width is greater than the usually referred to critical size,
posing questions about the properties of transport of magnetic islands as they are
understood currently.
Overall the work highlights how the transport properties of magnetic islands have not
been explored in their entirety, and how magnetic islands might be a lot more com-
mon than previously thought, but their impact not as evident in current experiments.