Soutenance de thèse de NAJLAOUI Anass
Titre de thèse
Progrès dans la modélisation de plasmas de tokamak à haut beta
Advancing the modeling of high-beta tokamak plasmas
Résumé de la thèse
Dans les tokamaks, les forces magnétiques doivent équilibrer la pression exercée par le plasma pour maintenir sa stabilité, assurant ainsi un confinement efficace du plasma magnétisé.
L'efficacité de ce confinement est essentielle pour maintenir un plasma à haute pression, condition nécessaire aux réactions de fusion.
Le paramètre sans dimension beta, défini comme le rapport entre la pression cinétique du plasma et la pression magnétique, mesure cette efficacité.
Des valeurs élevées de beta permettent une puissance de fusion accrue, cette puissance étant proportionnelle à beta au carré.
Cependant, à mesure que beta augmente, le plasma devient plus sensible aux instabilités électromagnétiques, qui peuvent le déstabiliser et compromettre son confinement.
Étant donné que les futurs réacteurs de fusion devraient fonctionner dans des régimes à haut-beta, il est crucial de développer des modèles précis capables de simuler ces conditions.
La modélisation intégrée, utilisée pour simuler le plasma, combine plusieurs codes et nécessite des évaluations rapides des flux turbulents sur plusieurs positions radiales et pas de temps.
Les simulations gyrocinétiques non linéaires, bien qu'elles fournissent des informations détaillées sur la turbulence, sont trop coûteuses en calcul pour être utilisées dans la modélisation intégrée.
Les modèles quasi-linéaires, tels que le modèle gyrofluide TGLF, simplifient les aspects non linéaires de la turbulence, permettant de prédire le transport turbulent sur des échelles de temps de calcul bien plus rapides.
Cependant, les simplifications inhérentes aux modèles quasi-linéaires, notamment dans leur traitement des mécanismes de saturation non linéaires, limitent leur fiabilité dans des régimes de paramètres peu explorés.
Pour les plasmas à haut-beta, où les effets électromagnétiques dominent, ces modèles n'ont pas été vérifiés de manière approfondie, laissant des incertitudes significatives dans leurs prédictions.
La vérification de ces modèles dans de tels régimes est indispensable avant leur application fiable dans des études de modélisation intégrées.
Cette thèse aborde ces incertitudes en vérifiant le modèle de turbulence quasi-linéaire TGLF à l'aide de simulations gyrocinétiques non linéaires réalisées avec le code GKW.
La vérification de la réponse linéaire de TGLF a commencé pour un cas de référence et a ensuite été étendue à une décharge expérimentale du tokamak JET à haut-beta.
Les résultats ont montré que, dans l'ensemble, TGLF pouvait raisonnablement capturer les taux de croissance linéaires et la structure des modes, mais des écarts sont apparus aux échelles de turbulence plus élevées, essentielles pour prédire avec précision les flux quasi-linéaires.
Pour remédier à ces limitations, un nouveau mécanisme de filtrage a été développé et intégré dans TGLF.
Les prévisions de flux de TGLF ont ensuite été comparées aux simulations non linéaires de GKW, révélant des erreurs moyennes de 67,0 % et 45,6 % pour les flux de particules d'ions et d'électrons, respectivement, et de 75,9 % et 64,7 % pour les flux de chaleur d'ions et d'électrons, respectivement.
Cette étude a permis d'évaluer les forces et les limites du modèle de transport réduit TGLF pour la modélisation du transport turbulent dans les plasmas à haut-beta, tout en posant des bases solides pour des recherches futures dans ce régime.
Thesis resume
In tokamaks, magnetic forces must balance the pressure exerted by the plasma to maintain stability, thereby ensuring an effective confinement of the magnetized plasma.
The efficiency of this confinement is essential to sustaining a high-pressure plasma, a condition required for fusion reactions.
The dimensionless parameter beta, defined as the ratio of the plasma kinetic pressure to the magnetic pressure, measures this efficiency.
Achieving high values of beta allows for increased fusion power, as fusion power scales with beta².
However, as beta increases, the plasma becomes more susceptible to electromagnetic instabilities, which can destabilize it and compromise its confinement.
Since future fusion reactors are expected to operate in high-beta regimes, it is crucial to develop accurate models capable of simulating these conditions.
The integrated modeling approach, used to simulate plasma discharges, combines multiple codes and requires fast evaluations of turbulent fluxes across several positions and time steps.
Nonlinear gyrokinetic simulations, although they provide detailed insights into turbulence, are computationally too expensive for integrated modeling.
Quasi-linear models, such as the gyrofluid model TGLF, simplify the nonlinear aspects of turbulence, allowing for predictions of turbulent transport on computational timescales that are significantly faster.
However, the inherent simplifications in quasi-linear models, particularly in their treatment of the non-linear saturation mechanisms, limit their reliability when applied to less-explored parameter regimes.
For high-beta plasmas, where electromagnetic effects dominate, these models have not been extensively verified, leaving significant uncertainties in their predictions.
Verifying these models in such regimes is indispensable before they can be confidently applied in integrated modeling studies.
This thesis addresses these uncertainties by verifying the quasi-linear turbulence model TGLF using nonlinear gyrokinetic simulations performed with the GKW code.
The verification of TGLF's linear response began with a reference case and was then extended to an experimental high-beta JET discharge.
Results showed that, overall, TGLF could reasonably capture the linear growth rates and mode structures, but discrepancies arose at the low-binormal wavevector region, corresponding to higher scales of turbulence, which are critical for accurately predicting quasi-linear fluxes.
To address these limitations, a new filtering mechanism was developed and implemented within TGLF.
TGLF's flux predictions were then compared to nonlinear GKW simulations, revealing Root Mean Square errors of 67.0 % and 45.6 % for ion and electron particle fluxes, respectively, and 75.9 % and 64.7 % for ion and electron heat fluxes, respectively.
This study evaluated the strengths and limitations of the reduced transport model TGLF for modeling turbulent transport in high-beta plasmas, laying a foundation for future research in this regime.