Soutenance de thèse de Nicolas NACE

Le transport radial, principalement turbulent, limite les performances des machines à fusion par confinement magnétique. Un mode de confinement avancé, le mode H, est obtenu avec la plupart des machines quand un seuil est franchi sur la puissance de chauffage. Il est caractérisé par la suppression de la turbulence dans le plasma de bord, par la formation d'une barrière de transport et un raidissement du profil de pression dans le piédestal. Si le cisaillement ExB est identifié comme un mécanisme clé de la transition vers le mode H, notamment via la génération d'un écoulement cisaillé, l'interaction entre cet écoulement et la turbulence reste en partie incompris. Récemment, des simulations numériques du plasma de bord utilisant des codes de turbulence fluide ont retrouvés plusieurs caractéristiques d'une telle transition. Des simulations 2D en géométrie slab ont montré l'importance de la transition entre les lignes de champ magnétique ouvertes et fermées ainsi que le rôle du canal d’énergie ionique. La prise en compte d'une force de friction néoclassique (effets collisionnels inhérents à la configuration magnétique toroïdale) dans des simulations 3D des lignes de champs fermées a conduit à l'obtention d'un régime de confinement amélioré. Dans cette thèse, la dynamique des barrières de transport forcées et spontanées du plasma de bord est étudiée par le biais de simulations numériques 2D et 3D et l'impact de la géométrie magnétique est en particulier analysé. Des barrières de transport peuvent être générées en forçant artificiellement le cisaillement ou la courbure ExB. Les barrières obtenues présentent une large variabilité en termes d'amplitude et de fréquence de relaxation ainsi que de capacité à stopper la propagation radiale par turbulence. Des barrières se développent spontanément quand les lignes de champs fermées sont ajoutées dans le modèle 2D anisotherme en géométrie slab. L'efficacité des barrières est renforcée par la contribution de l'énergie ionique dans la vorticité généralisée. L'interaction entre les écoulements cisaillés et la turbulence est retrouvé dans des cycles d'hystérésis similairement aux prédictions de modèles proie-prédateurs simples. La pertinence des simulations 2D ou 3D en géométrie slab pour reproduire une transition L-H est remise en question en raison des approximations des modèles et des limites inhérentes à cette géométrie. Ces barrières de transport spontanées ne sont pas retrouvées en simulations isotherme 3D en géométrie circulaire réaliste avec un limiteur même en augmentant l’énergie des ions dans la vorticité généralisée. Dans cette même géométrie, deux barrières de transport spontanées, avec une faible extension radiale et constantes en temps, sont néanmoins observées de part et d'autre de la dernière surface magnétique fermées quand le profil de facteur de sécurité d'une géométrie divertor à point-X est reproduit. Ces barrières sont générées par le cisaillement magnétique qui modifie les propriétés de la turbulence. Ceci explique les différences observées entre les géométries limiteur et divertor dans les simulations 3D mais la pertinence de ces barrières pour le mode H doit encore être déterminée par exemple en scannant l'énergie injectée des ions dans des simulations 3D anisothermes.

Performances of magnetic fusion devices are limited by radial outward transport which is mainly driven by turbulence. Experimentally, a high confinement regime, the H-mode, is obtained in most of magnetic devices when a threshold level on heating power is exceeded. The H-mode is characterized by the suppression of edge plasma turbulence, the apparition of a transport barrier and the increase of pressure gradient in the pedestal. While the ExB shear has been identified as a key mechanism of the transition from low to high confinement regimes, mainly through the generation of a sheared flow, the complete interplay between turbulence and sheared flows is still not fully understood. Recently, numerical simulations using fluid turbulence models of tokamak edge plasma recovered some features of the L-H transition. 2D slab simulations underlined the importance of the transition between closed and open field lines as well as the role played by the ion energy channel. Meanwhile, an improved confinement regime has been obtained in 3D simulations of closed field lines by taking into account a neoclassical friction force (collisional effects inherent in toroidal magnetized plasmas). In this thesis, the dynamics of driven and spontaneous edge transport barriers are investigated using 2D and 3D numerical simulations. In particular, we focus on the impact of magnetic geometry. It is shown that transport barriers can be generated by forcing an artificial ExB shear or ExB curvature in open field line region with a large variability of barriers behavior in terms of amplitude, frequency of barrier relaxations, and capability of transport barriers to stop radial transport by turbulence. Transport barriers develop spontaneously when closed field lines are included in thermal 2D slab simulations and the ion energy channel is found to reinforce the efficiency of the barriers thanks to the ion energy contribution in the so-called generalized vorticity. The interplay between sheared flow and turbulence - as predicted by simple predator-prey models - is recovered in hysteresis cycles. The relevance of 2D or 3D slab simulations to reproduce quantitatively a L-H transition is discussed in particular in light of the model approximations and inherent limits of slab geometry. Spontaneous edge transport barriers are not recovered on 3D isothermal simulations of realistic circular limiter geometry even with an increase of the contribution of ion energy channel on generalized vorticity. In this circular limited geometry, two thin spontaneous edge transport barrier - stable over time - are however observed on both sides of the Last Closed Flux Surface when mimicking the safety factor profile of divertor X-point configuration. It is found that these barriers are generated by the magnetic shear which modifies turbulence properties. It explains the discrepancies observed between circular limiter and divertor X-point configurations in 3D simulations but the relevance of these barriers for H-mode remains to be assessed for example by scanning ion input energy in 3D thermal simulations.